1、1等离子渗硫工艺与节能环保前言：节约燃油和重视环保，是我国可持续发展的国策中的核心。我国已成为仅次于美国的第二大石油进口国，2004 年原油进口将突破 1.1 亿吨，增长达 40%。即所需的石油 1/3 靠进口，高涨的油价已影响我国工业，特别是航运-运输业。而我国的油料消耗与单位产值比是日本等国的 1/10，仍是第三世界的水平。由于废气污染使我国生态环境遭到破坏。估计国内生产总值的 5%-12%付诸东流。酸雨、水旱灾日趋严重，北方沙漠化，南方水土流失，农牧业受到严重影响，我国又成为农副产品净进口国，仅 2004 年上半年就达到143.5 亿美元，其中粮食增长达到 62.5%。对此，国家多位领导
2、人提出节能环保并重的可持续发展战略。而我们多年研究的等离子渗硫工艺，可以将污染环境的 H2S 转化为动力机械的自润滑技术，使磨擦后表面具有硬、韧、滑相结合的优良性能。以 X85 柴油机缸套为例，每马力小时节约燃油 2-8 克，节润滑 0.67 克，多输出功率 1020%，CO ， NO 等废气下降为零，冷却水温度下降 1030，噪音也大幅度下降。如果开发出渗硫自润滑缸套等新产品，将具有独立的知识产权，具有国际竞争能力。1、渗硫节油环保的原理无论是柴油机还是汽油机，其效率的 40%损失在缸套和活塞这一对摩擦付上。缸套与活塞环即使经过精加工，表面仍有微凸体存在。在运动过程中，润滑油膜保证了摩擦付正
3、常运转，但由于油汽2燃烧的热作用，油膜经常被破坏，使微凸体因碰撞而剥落，形成摩擦付间的磨料，如果摩擦表面经过渗氮或淬火等硬化处理，微凸体的硬度将远高于金属机体，达到 HV500650，而且因其脆性提高，更易脱落形成高硬度磨料，对摩擦体损伤更剧烈，从“犁沟高效应”造成划伤，到非正常摩擦产生的高热造成金属局部软化而粘结，最终形成大面积的剥落，这就是最为危险的“粘接磨损” ，动力机械的行话叫做“拉缸” 。摩擦付高速运动不但产生噪音，而且包含高频率的超声波，传导到缸壁之外经过多次反射而聚焦在缸套外表面，使冷却水高速蒸发形成“空泡” 。空泡很快破裂导致水以很高速度“锤击”缸套外壁造成损伤，日积月累形成很
4、深的“孔洞” ，这就是“穴蚀” 。最终导致缸套穿孔失效，拉缸与穴蚀使柴油机缸套寿命大减，停机事故要靠大修才能解决，大修周期缩短使船主车主经济损失严重，为减少损失宁可花高价买进口缸套，导致我国动力机械实际没有独立的知识产权，也就没有自己的创新产品。缸套表面硬化效果不佳，我们逆向思维对缸套表面进行软化处理，即进行硫化，即获得出人意料的成功。所谓硫化，就是将缸套摩擦面生成 510 微米的硫化层（Fe 2S+FeS） ，其硬度在 HB150 以上，呈磷片状，FeS 的分解温度为1093，实际工作耐 800以上的高温（似于石墨或二硫化钼） ，它与机体结合牢固，有 1-2m 的过渡层，做相对运动时不仅不剥
5、落，而且具有“填平补齐作用” ，使摩擦付间的间隙层具有更好的“密合性” ，而且未渗硫的一边（如活塞环）也因摩擦热的作用被扩散渗上3硫，密合度好，柴油机汽缸高低压腔之间就不产生“窜气” ，燃料燃烧更完全，从而输出更高的功率。由此可知，渗硫层实际上形成润滑油膜之下的第二道防线，即使长期运转终于使微凸体剥落，因它已被硫化，只相当在油膜中增添固体润滑剂，决不和硬化工艺一样形成磨粒磨损，再者硫化铁无毒，排放到大气中对环境无污染，对人无毒害，不似燃油中添加的各种减磨剂燃烧排出后污染环境。一对润滑良好的摩擦付运转过程中不但磨损量小，产生的摩擦热少，噪音必然下降，特别是产生的超声波强度和频率均下降，如前述穴蚀
6、发生几率也大为下降。缸套失效往往不在于均匀磨损，而是局部间穿孔和恶性磨损。2、等离子渗硫工艺设备简介在 1331330Pa 的真空炉内，以 5001000V 的极间电压下发生异常辉光放电，此时 I-V 曲线为正比曲线。输入的原料与载气电离后从阴极暗区（等离子区）轰击接负极的工件，工件吸收动能而升温达到 500600时，正离子可以穿晶渗入，也可以与溅射出的金属离子在阴极暗区相化合，而沉积在工件表面，并且随着时间延长而向深部扩散布，这就是等离子渗硫或硫氮共渗的原理，等离子渗硫与其它渗硫工艺相比最大的优势在于表面获得的能量要高 12 个数量级，因此硫化层不但至密无孔，而且产生 12m 的过渡层，结合
7、力良好，难以剥落。而且与使用硫脲和二硫化碳等含碳的原料气进行的离子渗硫相比，硫化层因不含碳而呈均匀灰色。含碳不但使4色泽发黑，而且因杂质混相导致结合力不佳。而低温电解渗硫虽然能在 250以下形成硫化层，恰因硫含量难控制，生产不稳定的FeS2X，它呈土黄色，联硫化合物因为绝缘性能好而导致结合力差，剥落以后导致表面硫化层严重不均，使该工艺大受限制。2.1 等离子纯渗硫：输入气体中不含氮，在 560下钢铁工件表面获得的是纯渗硫层（FeS+Fe 2S） ，它的厚度可达 2050m。但过厚反而无用，一般应在 1015m。该工艺优点在于可以将细小的磨粒埋起来，减小微动摩损，对不允许使用润滑油的精密仪器仪表
8、及制药、印染纺织等行业有重大意义；它有良好的摩擦持久再生能力，即硫在摩擦热作用下自动向深部扩散，从而提高耐磨性。如果工件强度和表面硬度已足够，纯渗硫即可防止粘接磨损造成的恶性拉缸事故。2.2 硫氮共渗：气氛中含有一定比例的氮，就要以形成硫氮共渗层（Fe 2-3N+Fe2S+FeS） ，因为氮原子直径为 0.68A 可以穿晶渗入工件深入形成氮化过渡层和化合物层，而硫为 1.02A，在等离子区（阴极暗区）与铁等金属离子化合成硫化物层，沉积在氮化层之上。因为氮化合层至密硫不容易靠摩擦热自动向深部扩散，即持久再生能力不如纯渗硫。但因硫对氮化有催渗作用，氮化层总厚度可达0.50.8m ，硬度达到 HV5
9、001000，氮化层与硫化层之间微观上犬牙交错，结合力良好。因为摩擦系数 与硬度成反比与剪切抗力成正比，即 = /H，10 的硫化层硬度低于 HB150，因此与 45 钢正火的 值（0.1）相比，共渗件仅为 0.05 是减摩性的主要原理。且5氮化层厚又硬，能有效抵抗摩粒摩损。当基材硬度偏低（如球铁、铸铁、低碳钢等）之时，多选用共渗工艺。各种合金钢（如高速钢及 3Cr2W8V 等）模具也多选本工艺，使用寿命提高 34 倍，甚至更高。2.3 不适合本工艺的材料如前述，渗硫温度为 560，最适合调质钢。而低温回火高碳钢，Cr 12 系列冷作模具钢。已渗碳并低温回火钢均不适合本工艺。如果允许 400回
10、火，不影响工件的使用，硫化后尚有自润滑作用。但设计者选用调质钢（如 40Cr）代替渗碳钢（20CrMnTi）进行硫氮共渗处理后，往往会获得意外良好的效果。2.4 渗硫设备等离子渗硫与渗氮原理相同，但因硫的腐蚀作用，硫化炉要用不锈钢制造，泵与仪表也要抗硫蚀。据我们多年的研究，H 2S 电离后 S2+的活性会导致弧光放电，因此输电结构和托盘及绝缘件均与氮化炉有较大差异；此外 N2 是气态元素，S 为固态元素，后者在炉内易引起气氛不均的现象，在我们研制的 LL-1 型和 LL-2 型渗硫炉中均有特殊考虑。所需电源也要防硫蚀，脉冲电源的频率占空比和电流均连续可调。3、渗硫工艺适用的工件经过调质（淬火+
11、 高温回火）后获得索氏体的工件，氮在其中的扩散最快，因此中碳合金钢最适合渗硫和硫氮共渗，但是渗硫层在水和水汽中会氧化生锈，在酸度高的条件下硫化铁分解而失去自润6滑性能，在泥沙等条件下不能适用。总之工况决定我们是否采用该工艺，最合适的是面大量广的各种缸套和高附加值的模具，下面我们分类介绍。3.1 缸套：大马力低速烧重油的柴油机缸套工况较差，我们未做过实验，但各种缸径的合金铸铁、球铁、普通铸铁均可进行处理。合金铸铁缸套本身硬度高，可以采用纯渗硫或硫氮共渗。因为它是用在高速、中速柴油机上，附加值很高，而且缸径越大节油效果越好，寿命等指标均获提高，这应是我们重点发展的工件。应指出的的是高档缸套外表面有
12、镀镉（Cd）以防穴蚀者，可以用硫化以代镉，镉有剧毒，是污染元素。而不含合金元素的铸铁缸套，机体较软，以硫氮共渗较理想，这类缸套价格便宜，但面大量广，渗硫增加成本使用户未能看到节油和功率提高的长远利益。船舶和工程车辆理应最重视缸套的渗硫工艺，它能大能提高整体的机械性能。一般轿车等小型车辆多使用汽油机，它们多使用薄壁缸套，因其材质是低碳钢，应当采用硫氮共渗处理，但 1mm 的薄壁缸套在560共渗后易引起变形，所以要使用夹具等固定措施方能得到理想的效果。其它如冷冻机、液压气动机械等的缸套，及橡塑机械中的挤压送料装置的缸套等，渗硫后效果很理想，如果发展的很好，完合可以创造名牌产品。3.2 模具冷作模具
13、中的拉拔模，最适合硫氮共渗，我们用高速钢代替硬质合金做成拉拔模将两吨园管拉成矩形管，不但模具仍能使用，而7且拉拔啸音大大减轻。常用的以热锻模为代表的热作模具，800的高温引起的粘结磨损是最主要失效方式，硫氮共渗后寿命提高 23 倍，最终失效方式是局部受力较大的部位塌陷，与渗硫无关。压铸模是常用的热作模，无论是压铸铝还是锌合金使用硫氮共渗后寿命可提高到 45 倍，此时硫的摩擦持久再生作用很明显。容易粘模的橡塑模具用硫氮共渗后不但寿命延长，而且产品表面光滑品质提高，不再发生模表面粘胶现象。3.3 轴承、轴瓦渗硫工艺可以用在不允许使用润滑油的轴承轴瓦上，从而开发出自润滑轴承、轴瓦，含油轴承使用粉末冶
14、金制造，它有一定的微孔率，包括硬质合金模具刀具等都是如此，对它们进行硫氮共渗之后才浸油处理。已浸油的如果进入渗硫炉后，油蒸汽会严重污染真空室，千万要注意。各种合金轴瓦（巴士合金等）价格高昂，有些还有重污染元素（Pb 等） ，我们曾在剪板机上用铸铁渗硫做轴瓦，证明在低速重载有冲击力的工况下使用寿命比合金铜轴瓦提高 34 倍，但中高速轴承瓦实验因花费巨大没能进行，可以预测有眼光的企业家想开发创新产品，本工艺值得一试。3.4 其它零件：面大量广的是齿轮、喷油器、摩擦片、半轴、活塞环等等均可使用本工艺以提高机械效率，其中喷油器渗硫后曾用在国防工业上，效果显著，使某单位立功受奖。美国化学文摘8对我们发表的有关论文给予摘登，在国际上具有一定的反响。由此可知有许多零部件均可开发出创新的产品。4、结论当前节能、节燃油，注重环保已是我们可持续发展的国策，没有创新只是照搬硬套的常规产品不可能获得理想的经济效益，要想在国内外剧烈竞争的市场开发出有自己特色的产品就应当有自己特殊工艺，特殊的设备。产品一旦有别人无法企及的性能才可占领市场。因此我们希望有魄力的企业家，利用我们多年研发的工艺设备发展渗硫产品，有些我们未能完成的工艺测试也需要进一步完成。争取获得得理想的效益。张敬一 高秀敏 李烈英 黄富育联系电话：82607101 82886390联系地址：青岛市四方区四流南路 126 号 机械研究所
