某航空航天用的零件-活门及附件低温渗硫

　　在辉光电场的作用下含硫介质被电离，硫元素渗入工件表层形成硫化物层，从而提高零件表面的耐磨性和抗咬合性能，这种工艺方法称之为离子渗硫。

 

　　武汉首发多元离子渗装备有限公司表面渗硫技术应用

　　谈起表面渗硫，也许陌生，也许不陌生。工业应用自1973年法国液力机车与摩擦研究所申请低温电解渗硫专利开始，到1981年，美、法、意等国已有185家企业应用。1985年我国专家考察日本汽车工业时了解到，他们已建立了一条高产量的低温电解渗硫自动生产线，用以处理汽车和拖拉机齿轮、液压系统零件、泵的侧板、断路器活塞、气缸体、凸轮等。据日方介绍，99％的渗碳零件都要进行渗硫处理（摘自《金属热处理》1986年第3期）。我国进口的一些汽车技术文件中，很多零件也注明要渗硫。但当时的技术特点是仅能在钢铁表面内形成5--7微米的硫化物薄层。

　　70年代初。航天部所属厂、武汉材料保护所、哈尔滨工业大学、上海工业大学等十余家单位就“低温电解渗硫”进行过研究，但由于电解液对环境造成污染等原因而未能在我国获得推广，大有被其他润滑技术淹没之势。

　　1978年，中国科研工作者研究成功了“低温气体放电渗硫法”，获得了20微米硫化亚铁（FeS）润滑表面，并首先在纺纱机钢领上得到应用。经过几年改进，又获得120微米左右的硫化亚铁润滑表面，从而使这项技术进入我国工业性应用阶段。该项技术于1985年获得中国专利（85106828，发明专利证书434），1987年获日本专利，之后又获得欧洲、美国专利。近几年来，该技术已在冶金各钢厂、纺织业、机电工业中许多厂取得了广泛应用。

　　金属零件合成固体润滑表面的技术和设备，是我国独立研究出来的具有世界先进水平的润滑技术。早先的渗硫技术它是以固体硫加热气化为硫蒸气，然后在真空反应室内的阳极和阴极间施以直流高压电。但早期的渗硫装备和工艺因技术的限制还存在着灭弧性能差、工件温度控温不均匀性差、气氛可控性差、自动化程度低等缺陷导致产品渗层不均匀、还有就是含硫尾气污染排放的问题没有解决好等问题，也限制了它的应用。2005年后，技术的突破克服了早期渗硫法缺陷，更加先进、高效节能环保的新一代“全自动控制型带多区分区辅助加热功能的脉冲多功能低温气体放电离子渗硫工艺及装备”在原名武汉首发表面工程研究所、武汉首发表面工程有限公司（现名武汉首发多元离子渗装备有限公司）隆重推出，实物照片如下图，它完全满足离子渗硫工艺对设备的要求，可用于碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、轴承钢、高速钢、铸铁及硬质合金制件，如轴承、缸套、齿轮、轧辊、拉伸模、刀具等的单纯离子渗硫、离子硫－氮共渗、离子硫－氮—碳共渗、及氮—碳共渗等。

 

　　一、该设备离子渗硫工艺特点：

　　﹝1﹞离子渗硫温度较低，一般在120-180℃，所以，渗硫工艺的变形是最小的，常常作为零件的最后一道工序。

　　﹝2﹞离子渗硫后不影响零件表面及芯部原来具有的硬度、耐磨性、疲劳强度和缺口敏感性。

　　﹝3﹞渗硫层可降低摩擦系数，减少一般摩擦件的磨损，提高抗咬合性，延长使用寿命。

　　具体离子渗硫时需视零件的材质和工作状况采取不同工艺，使各种钢铁（从10钢到合金钢、高速钢及灰铁、球铁以及渗碳、渗氮或碳氮共渗钢等）零件在脉冲辉光放电、分区辅助加热的物理化学作用下，形成最佳厚度的硫化亚铁表面。除此以外，还能在铜及铜合金上合成硫化铜，在钼及钼合金上合成二硫化钼，在镍及镍合金上合成硫化镍等润滑表面。

　　经航空部503厂及清华大学摩擦学中心实验室（国家实验室）进行摩擦系数测定表明：在有油润滑时，钢铁具有硫化润滑表面后，其滑动摩擦系数较青铜降低1／3～1／2,同样情况下，青铜在具有润滑表面后，其摩擦系数也降低1／3左右。在无油润滑干摩擦时，钢铁摩擦副双方均具有润滑表面后，其滑动摩擦系数仅比有油润滑的青铜略大，且呈现出载荷越大耐磨性能越高的现象。北京理工大学实验表明：45钢具有润滑表面后，其滚动摩擦系数可以降低4—40％，井随硬度不同而改变。

　　由于渗硫层中FeS晶体结构的良好塑性和磨合性，改善了接触性能，增加承载面积，降低接触应力，提高了承载能力；由于初期磨合条件的改善，及摩擦副基体间的自润滑作用，避免了对磨件基体的直接接触，减少了摩擦热的产生，具有良好的抗咬合和抗粘着剥落性能；由于渗硫表面摩擦后越趋平整光滑，及降低摩擦系数，减少了膳耗，提高了耐磨性和设备的可靠性；又由于渗硫层具有良好的化学稳定性及对润滑剂的吸附性等作用，还可以提高液体润滑的效果；尤其在高载荷、高速度、高冲击、高温及真空等苛刻的工作条件下，特别是在无油、少油及应用于高精度件时，效果更为显着。此技术因通用性强，适用材料广泛，而且不改变零件尺寸、精度、硬度，光洁度，因此它已成为深受用户欢迎的一项经济实用的新技术。

　　上文所述国外已应用的机械零件多数在我国得到应用，寿命成倍提高；国外由于技术原因，尚未应用的领域，如滚动轴承等，在我国也取得了良好的效果。润滑表面技术几乎能够应用到各种运动零件上，平均寿命可延长1--10倍。　　现将部分应用件的实验和使用情况简介如下：

 

　　1.轴承

　　铬钢无油润滑滚动轴承：以204轴承为例，径向载荷190kg，转速2400转／分，无油连续工作200小时以上无疲劳破坏，应用火箭发动机中涡轮系轴承，可保证100％的可靠性。而普通轴承载荷45.3kg，转速3000转／分，只有20小时。无油润滑轴承载荷是其4倍，寿命是其10倍。

　　滚动轴承：北京天马轴承厂、洛阳轴承厂、哈尔滨精密轴承研究所按机电部滚动疲劳寿命规程进行试验，203轴承在通常润滑条件下，平均寿命提高3--5倍；45钢内外圈轴承，也超过了铬钢轴承的设计寿命。

　　滑动轴承：清华大学摩擦学研究中心实验，45钢在中等载荷（P≤1.5kg／mm2（上标））时，其耐磨性较青铜、巴氏合金高2--4倍；在高载（P>1.5kg／mm2（上标））时，高4.5--9倍。

 

　　2.齿轮

　　北京兵器新技术推广应用研究所用于国产某装甲车的传动齿、上钢一厂用于传动齿、中间轴常啮主动齿，上钢二厂用于复二重式减速箱长、短人字齿、推钢机压，托轮，上钢三厂用于进出小车长轴齿轮、19#（上标）辊道减速机齿轮，上钢十厂用于φ16焊管机伞形齿、剪切机齿轮，上海冶金设备总厂用于炉开式传动齿轮，上海化纤十四厂用于欠仲车牙轮等各类齿轮，寿命均提高1—3倍。

 

　　3.纺机部件

　　武汉四棉，北京二棉、天津二棉、上棉九棉、三十一棉等厂家广泛使用，各种钢领可延长寿命2--4倍，并能缩短走熟期、降低断头率。

　　上棉九棉应用于报废的锥面钢领，得以再生又正常使用了一年半（中途不需下车水磨）。实践证明，应用于废旧钢领的使用效果，不低于甚至优于新钢领（废旧钢领需经剔除不合格内壁及圆整度者，并最好先经水磨预处理）。

　　上海绢纺织厂应用紬丝精纺6070钢领，减少初期跑合和油污丝，降低断头率，提高了产品质量和产量。由于飞钢丝圈减少，还节约了钢丝圈消耗的50％。

 

　　4.刀具

　　北京重型机器厂应用于W18Cr4V钢制造的铣刀、滚刀等，铣刀提高寿命2--6.4倍，滚刀提高寿命3倍，提高了加工质量和生产效率。

　　北京第二光学仪器厂应用于丝锥和板牙，平均提高寿命10倍。

　　上海机床厂试用于高速钢铣刀提高寿命2倍以上，硬质合金铰刀提高寿命3倍以上。

　　上海内燃机配件总厂试用于工具钢圆片铣刀提高寿命2倍左右。

　　首钢红冶钢厂将合成润滑表面铣刀与离子镀氮化钛铣刀做对比试验，初步结果两种铣刀寿命相近，而前者成本却大大降低。

 

　　5.模具

　　北京天马轴承厂、哈尔滨轴承厂使用，GCrl5钢制造的浪形、筐形保持架整形凹模，筐形保持架压板凸模等，平均寿命提高1/3。

 

　　6.液压元件

　　北京石油机械厂在轴向柱塞型泵马达配流盘、止推盘上试验，从根本上解决了咬合问题（俗称烧盘）。超载试验中，超过额定压力50％仍未发生咬合，大大提高了成品率，柱塞泵中仅配流盘一个零件渗硫后，总机械效率即提高了4.9——5.6％，超过日本进口原机水平。

 

　　7.汽油机

　　清华大学汽车工程系将492QA汽油机的活塞环、缸套、曲轴、凸轮轴等部分摩擦件渗硫后在试验台试验，即可降低发动机机械损失功率，且转速越高降低越多，平均降低4.7％，并使磨合时间缩短2/3。

 

　　8.无油压缩机

　　北京第一通用机械厂新产品WW—0.4/50无油压缩机，末级缸体及活塞环的工作部件渗硫，经500小时台架试验，机器运转正常。经拆检，气缸内径、活塞环厚度的磨损均在允许值范围内，现产品已批量出厂投入使用。

 

　　9.轴和套、活塞和活塞环

　　潍坊第一轻工机械厂已大量应用于该厂生产的玻璃制瓶机上，其中翻转轴及长轴较国外同类产品寿命提高5--8倍，45钢活塞寿命提高4倍。

　　上海炼油厂应用于球墨铸铁活塞环，寿命提高2倍以上。

　　上海矽钢片厂热轧薄板轧机前后升降台滑轮肖轴，由于工况恶劣（400℃左右高温）、24小时连续运转、无油干摩擦，一根肖轴一周的磨损量即达原直径的50％，无法继续使用，且需停机卸辊才能更换，经常影响生产。渗硫后的肖轴和套连续运转一个月进行测量，几乎没有什么磨损，有效地提高了使用周期，保证了设备的正常运转，颇受欢迎。

　　上海冶炼厂履带结构直线铸绽机肖轴和长、短轴套，由于处于高温、多尘等恶劣环境，给润滑工作带来困难，易损件更换周期短，引进渗硫技术后，使用寿命均由3个月延长到9个月，并使整机始终处于良好状态，可增产阳极板800吨。

 

　　10.以钢代铜

　　上海铁合金厂捣炉机丝杆外衬套，由原45钢伞齿二次加工压入铸青铜衬，改为45钢一次加工整体渗硫，寿命提高4倍，衬套拉毛、牙齿变形等现象明显减少。这样，既减少了铜材消耗，简化加工和检修，又节约了备件资金，提高了设备工作可靠性，综合经济效益颇为可观。

　　上钢十厂五连轧机组上的一种垫块，过去一直采用9—4铜，由于产品品种变化造成轧制力增大，因承受不了冲击和挤压而频繁更换。后曾采用过45钢替代9—4铜，又由于高速旋转和高强度挤压，造成钢与钢之间咬死，拆装相当困难。最后采用20钢渗硫，效果相当满意。不仅消除了咬死现象，而且比铜垫块寿命提高5—6倍，并使牙箱传动更趋平稳，减少了铅婆司的损耗。

　　综上所述，金属零件合成固体润滑表面技术具有巨大的经济效益和社会效益。它可以在保持零件原有尺寸、精度、光洁度和硬度的情况下，延长零件寿命，提高产品质量；又可以降低能耗，节约原材料；还可以减少摩擦功耗，提高机械效率；更可以更新、优化设计，研制新产品。总之，大规模推广应用有着广阔的前景。

 

　　二、该设备离子渗硫的机理：

　　离子渗硫由于辉光放电的作用，其机理与其它渗硫方式有所不同。在真空炉体内，工件接阴极，炉体接阳极，在阴阳极间施加数百伏的高频脉冲电压，产生辉光放电，使通入真空炉内可控含硫的稀薄气体（很少量）和其它可控应用气体同时电离，形成等离子体。其中S+离子在阴极位降区被加速，轰击阴极表面，使阴极表面活化，并发生一系列反应。首先，离子轰击动能转化为热能，加热工件。其次，离子轰击打出电子，产生二次电子发射，同时，由于阴极溅射作用，工件表面的C、O、Fe等原子被轰击出来，Fe与阴极附近的活性S原子﹝或S离子﹞结合形成FeS、FeS2沉积在阴极表面，由于阴极由表及里的高S浓度差，活性S原子在一定温度下，向心部扩散形成渗硫层。

 

　　三、离子渗硫工艺对该设备的要求：

　　1.真空度

　　设备的真空炉体必须具有良好的真空密封性能，通过真空获得系统，能够得到工艺所需要的真空度。

 

　　2.电绝缘

　　零件（阴极）对阳极必须有良好的电绝缘，以保证工艺正常进行和设备安全。

 

　　3.优良的、具有良好灭弧性能的脉冲电源

　　脉冲离子电源是用来产生辉光等离子体、进行离子渗硫的主工作电源，输出为一单极性的高电压脉冲，其脉冲幅度和宽度均独立调节，核心控制技术是可控整流调压与PWM斩波技术，实现电压、电流独立分开调节的功能。可采用小的占空比D、和高的脉冲电压Up、大的峰值电流Ip 工作，提高离子的瞬间轰击能量，从而提高渗硫质量和速度。

　　脉冲离子电源其输出的电压和电流在时间上是断续的、周期性的，从频域的角度上看，连续的脉冲波含有丰富的谐波，这些高频谐波会“影响”电离的过程，能较好地改善空心阴极效应，对零件的堵孔远没有直流的要求高，甚至可不堵孔。若再配以辅助加热电源工作，特别适合薄壁、窄缝、深孔等特性的零件的渗硫处理。

　　但在得到稳定的辉光放电前，零件表面不可避免地要产生弧光放电（俗称“打弧”），就是辉光稳定后，也有辉光向弧光转变的情况。而弧光放电的特点是低电压、大电流放电，对于电源来说类似于短路，这就要求设备具有良好的灭弧性能，不至损坏零件和设备。

 

　　4.水冷却

　　真空炉体必须有循环水冷却，以免温度过高橡胶密封件受热损坏。

 

　　5.隔热保温

　　真空炉体必须安装有隔热屏，一是为了节约电能，二是减少零件因热量散发而造成的温度不均匀。

 

　　6.通过分区辅助加热进一步改善炉温的均匀性、提高工件的渗硫质量、提高生产效率。

 

　　7.设备质量及工作要安全可靠；操作要自动化、简单、人性化；批量生产时工件质量稳定再现的一致性要好、不合格率要低；当设备有故障时最好有故障帮助等。

 

　　四、该设备的主要技术参数：

 

　　4.自动控制系统

　　由法国斯耐德PLC、A/D、D/A模块、触摸屏、首发的控制程序组成，具有：

　　可编程十五段工艺参数（渗硫温度、辅助加热温度、真空度、脉冲电压、脉冲电流、升温斜率、渗硫气体流量和不同气体比例、保温时间等）的设置、修改、储存；

　　工艺曲线的记录；

　　对生产全过程的自动监控；

　　故障报警及故障帮助向导；

 

　　5.尾气净化系统

　　渗硫过程中未完全反应完的含硫尾气不能直接排放到大气中，否则会造成大气污染。本公司研发有两种含硫尾气脱硫装置：一种是利用超重力机和武汉国力通能源环保有限公司与本公司开发的特种脱硫剂及脱硫技术将含硫气体中的硫脱成单质硫磺，效果好，就是成本较高，适合大规模脱硫；第二种是利用武汉国力通能源环保有限公司和本公司与开发的特种脱硫剂及脱硫技术将含硫气体中的硫生成盐达到尾气脱硫的目的，效果好，成本较低，适合中小规模脱硫。以上脱硫方式全部能达到或超过国家规定的排放标准。