汽車用不銹鋼的表面低溫硬化處理
時(shí)間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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盡管奧氏體無錫不銹鋼因優(yōu)異的耐蝕性而得到大量應(yīng)用，但其摩擦學(xué)特性差，尤其是抗磨蝕或粘著磨損性能低，并具有微動(dòng)磨損趨勢(shì)，阻礙了這類材料在需要耐腐蝕和耐磨損領(lǐng)域中的應(yīng)用。德國鮑迪克公司不銹鋼處理（S3P）線提供了增加材料機(jī)械性能而不改變耐腐蝕特性的解決方案。熱化學(xué)擴(kuò)散工藝形成富碳或富氮S相，同時(shí)避免碳化物或氮化物析出。典型的應(yīng)用包括食物、飲料、藥物、醫(yī)療用品以及化學(xué)工藝設(shè)備，不過，本文將主要介紹不銹鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用。
無錫不銹鋼長期以來被用作汽車結(jié)構(gòu)件或裝飾件。一個(gè)典型的例子就是勞斯萊斯幻影的奧氏體不銹鋼前罩板和不銹鋼內(nèi)嵌件。不銹鋼中主要是鐵素體不銹鋼在汽車上大量使用，因?yàn)殍F素體不銹鋼能夠使排氣系統(tǒng)在高溫、腐蝕環(huán)境下工作。如排氣岐管、管路和消音器等零部件，均采用AISI 409不銹鋼制作。更昂貴的不銹鋼，如雙相不銹鋼，已經(jīng)在汽車上得到規(guī)模應(yīng)用，由雙相不銹鋼制作的功能零件結(jié)合了機(jī)械強(qiáng)度和極高的抗腐蝕性能。汽車行業(yè)正面臨著安全和高效方面的嚴(yán)格要求，這對(duì)應(yīng)用不銹鋼材料來說是一個(gè)極好的機(jī)遇。
抗機(jī)械摩擦的新前沿
下面來看一個(gè)具體例子。某汽車工程公司生產(chǎn)滑動(dòng)軸承，在應(yīng)用S3P線處理后，生產(chǎn)出的滑動(dòng)軸承性能得到提升，證實(shí)了S3P如何完美地改善不銹鋼的力學(xué)性能。對(duì)電磁閥用滑動(dòng)軸承，當(dāng)采用未經(jīng)硬化處理的不銹鋼時(shí)，軸承工作24萬次后失效，而采用類金剛石涂層（DLC）材料時(shí)，在7400萬次后失效。當(dāng)使用表面低溫硬化處理的不銹鋼時(shí)，軸承壽命遠(yuǎn)超過任何以往的記錄，軸承在工作5.6億次后仍然可以運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管DLC具有非常高的滑動(dòng)性能，它的表面硬度遠(yuǎn)超過S相，但是S3P處理能使無錫不銹鋼零件抗腐蝕性能、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等綜合性能得到大幅提升。
更深入的應(yīng)用領(lǐng)域
在表面低溫硬化條件下形成的10-40μm擴(kuò)散層，其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是消除任何可能的分層風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)抗壓力沖擊和熱沖擊性能而言也是有益的。盡管無錫不銹鋼中富碳S相的硬度超過1000HV0.05，但是在快速裝爐過程中仍然保持塑性。這些特征使其應(yīng)用在高產(chǎn)、高技術(shù)汽車行業(yè)的許多地方，目前應(yīng)用領(lǐng)域包括內(nèi)燃機(jī)、動(dòng)力傳遞、傳動(dòng)和排氣系統(tǒng)。S3P甚至可以硬化體積最小的零部件，這帶來成本優(yōu)化。以下給出的例子說明這些硬化不銹鋼可以滿足更多領(lǐng)域并降低總成本。
消除動(dòng)力連接件的擦傷
安裝在內(nèi)燃機(jī)附件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件遭受相對(duì)高的腐蝕。路面上的鹽分或者在濱海附近開車，增加了不同機(jī)械零件腐蝕損害的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高溫進(jìn)一步提高腐蝕效應(yīng)。當(dāng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部使用腐蝕性生物燃料時(shí)，機(jī)械零件也會(huì)遭受其他形式的腐蝕。
對(duì)動(dòng)力連接件而言，特別是抗擦傷能力尤為重要。與未經(jīng)處理的表面相比，低溫滲碳表面具有明顯優(yōu)勢(shì)。按照ASTM G98標(biāo)準(zhǔn)對(duì)AISI 316L不銹鋼進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明，與未經(jīng)處理的表面相比，經(jīng)處理后擦傷門檻應(yīng)力值大幅提升。未經(jīng)處理不銹鋼在45.5MPa時(shí)被擦傷，而滲碳表面在842.5MPa時(shí)還未見擦傷。這一數(shù)值超過材料的屈服強(qiáng)度，因此發(fā)生塑性變形。
替代涂層
由于歐盟汽車報(bào)廢指令或有害物質(zhì)限制（RoHS），歐洲汽車行業(yè)開始替代硬的鉻涂層。對(duì)耐蝕、耐磨零部件的要求導(dǎo)致這種替代朝兩個(gè)方向發(fā)展。一是利用其他類型的涂層，比如化學(xué)鍍鎳，二是通過擴(kuò)散工藝細(xì)化基體材料。從磨損的角度看，對(duì)無錫不銹鋼而言涂層比擴(kuò)散工藝更具優(yōu)勢(shì)。涂層的硬化層厚度可以更厚，不過S3P工藝可以提高耐腐蝕性，且不會(huì)出現(xiàn)涂層不完整的風(fēng)險(xiǎn)。
在處理后不需要機(jī)加工是S3P工藝的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，從而降低總成本，實(shí)現(xiàn)處理復(fù)雜幾何形狀、銳邊和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可能，這對(duì)涂層而言通常是不可能的。確實(shí)，由于擴(kuò)散過程的特性，采用S3P表面低溫硬化處理大批量材料是有可能的。在快速裝爐時(shí)，硬化區(qū)變形而不出現(xiàn)裂紋或分層。這種容錯(cuò)特性是與涂層或其他基于擴(kuò)散工藝相比的一大優(yōu)勢(shì)。即使對(duì)最小的零件也能實(shí)現(xiàn)均勻硬化，這是該工藝的又一優(yōu)勢(shì)，其他技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)。對(duì)直徑60μm的孔進(jìn)行表面硬化，這是該工藝的特有能力。尤其在經(jīng)受高周彎曲疲勞時(shí)，硬的鉻和其他涂層呈現(xiàn)出高的失效風(fēng)險(xiǎn)。盡管研究聲稱涂層具有高的機(jī)械強(qiáng)度，可以提高抗疲勞性能，但是當(dāng)超過易出現(xiàn)裂紋萌生和擴(kuò)展這一特定應(yīng)力水平時(shí)，從軟的層向硬化涂層過渡區(qū)就是薄弱點(diǎn)。這可以導(dǎo)致涂層分層或在裂紋向軟層內(nèi)擴(kuò)展，從而影響疲勞壽命。
無其他密封的滑動(dòng)軸承
表面低溫硬化不銹鋼的另一應(yīng)用領(lǐng)域是無需其他密封的滑動(dòng)軸承，從而可以用于高壓噴射系統(tǒng)或藥劑泵。線性驅(qū)動(dòng)器也得益于這項(xiàng)技術(shù)。由于金屬-金屬接觸的磨損率極低，同時(shí)消除擦傷，可以實(shí)現(xiàn)不帶聚合物密封的簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖3。
彈簧疲勞性能改善
由于存在富碳S相，無錫不銹鋼具有更高的疲勞極限，彈簧壽命的周期可以延長，而失效的可能性降低。根據(jù)彈簧的尺寸不同，彈簧系數(shù)也可能發(fā)生改變。彈簧尺寸越小，則表面低溫硬化處理對(duì)彈簧性能的影響越大。對(duì)AISI 304不銹鋼薄膜中富碳S相的研究發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度可從未經(jīng)處理時(shí)600MPa提高到超過1500MPa。
可重復(fù)及低成本
低溫表面硬化處理使無錫不銹鋼在保持良好的抗腐蝕性能的同時(shí)改善力學(xué)性能。更優(yōu)良的磨損、擦傷、疲勞和氣蝕性能，使得表面低溫處理不銹鋼被大量應(yīng)用在汽車工業(yè)。為了滿足可靠零部件和更高效汽車的要求，表面硬化處理的不銹鋼是關(guān)鍵的材料。前面提到的具體事例，如微動(dòng)磨損性能更高的動(dòng)力連接件、不會(huì)堵塞的不銹鋼燃油附件、疲勞性能更高的彈簧以及用于高壓閥的零件，全面闡釋了表面低溫硬化處理可提高不銹鋼的各種性能。此外，重要的是這種工藝實(shí)現(xiàn)均勻、可重復(fù)的結(jié)果。汽車在駕駛時(shí)一次故障或失靈，對(duì)品牌汽車商而言就是一次重大事故，而這可以通過低溫表面硬化技術(shù)來解決。除了提高硬化零件的工藝性能外，經(jīng)濟(jì)性也同樣重要。S3P表面低溫硬化處理也可以一次大量處理尺寸小的零部件，迎合成本目標(biāo)。