汽車用不銹鋼的表面低溫硬化處理
時間：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異的耐蝕性而得到大量應用，但其摩擦學特性差，尤其是抗磨蝕或粘著磨損性能低，并具有微動磨損趨勢，阻礙了這類材料在需要耐腐蝕和耐磨損領域中的應用。德國鮑迪克公司不銹鋼處理（S3P）線提供了增加材料機械性能而不改變耐腐蝕特性的解決方案。熱化學擴散工藝形成富碳或富氮S相，同時避免碳化物或氮化物析出。典型的應用包括食物、飲料、藥物、醫療用品以及化學工藝設備，不過，本文將主要介紹不銹鋼在汽車行業的應用。
無錫不銹鋼長期以來被用作汽車結構件或裝飾件。一個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嵌件。不銹鋼中主要是鐵素體不銹鋼在汽車上大量使用，因為鐵素體不銹鋼能夠使排氣系統在高溫、腐蝕環境下工作。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，已經在汽車上得到規模應用，由雙相不銹鋼制作的功能零件結合了機械強度和極高的抗腐蝕性能。汽車行業正面臨著安全和高效方面的嚴格要求，這對應用不銹鋼材料來說是一個極好的機遇。
抗機械摩擦的新前沿
下面來看一個具體例子。某汽車工程公司生產滑動軸承，在應用S3P線處理后，生產出的滑動軸承性能得到提升，證實了S3P如何完美地改善不銹鋼的力學性能。對電磁閥用滑動軸承，當采用未經硬化處理的不銹鋼時，軸承工作24萬次后失效，而采用類金剛石涂層（DLC）材料時，在7400萬次后失效。當使用表面低溫硬化處理的不銹鋼時，軸承壽命遠超過任何以往的記錄，軸承在工作5.6億次后仍然可以運轉。盡管DLC具有非常高的滑動性能，它的表面硬度遠超過S相，但是S3P處理能使無錫不銹鋼零件抗腐蝕性能、硬度、韌性和疲勞強度等綜合性能得到大幅提升。
更深入的應用領域
在表面低溫硬化條件下形成的10-40μm擴散層，其關鍵優勢是消除任何可能的分層風險，這對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。這些特征使其應用在高產、高技術汽車行業的許多地方，目前應用領域包括內燃機、動力傳遞、傳動和排氣系統。S3P甚至可以硬化體積最小的零部件，這帶來成本優化。以下給出的例子說明這些硬化不銹鋼可以滿足更多領域并降低總成本。
消除動力連接件的擦傷
安裝在內燃機附件的機械運動零件遭受相對高的腐蝕。路面上的鹽分或者在濱海附近開車，增加了不同機械零件腐蝕損害的風險。發動機艙內的高溫進一步提高腐蝕效應。當考慮發動機內部使用腐蝕性生物燃料時，機械零件也會遭受其他形式的腐蝕。
對動力連接件而言，特別是抗擦傷能力尤為重要。與未經處理的表面相比，低溫滲碳表面具有明顯優勢。按照ASTM G98標準對AISI 316L不銹鋼進行的測試結果表明，與未經處理的表面相比，經處理后擦傷門檻應力值大幅提升。未經處理不銹鋼在45.5MPa時被擦傷，而滲碳表面在842.5MPa時還未見擦傷。這一數值超過材料的屈服強度，因此發生塑性變形。
替代涂層
由于歐盟汽車報廢指令或有害物質限制（RoHS），歐洲汽車行業開始替代硬的鉻涂層。對耐蝕、耐磨零部件的要求導致這種替代朝兩個方向發展。一是利用其他類型的涂層，比如化學鍍鎳，二是通過擴散工藝細化基體材料。從磨損的角度看，對無錫不銹鋼而言涂層比擴散工藝更具優勢。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，且不會出現涂層不完整的風險。
在處理后不需要機加工是S3P工藝的一個優勢，從而降低總成本，實現處理復雜幾何形狀、銳邊和內部結構的可能，這對涂層而言通常是不可能的。確實，由于擴散過程的特性，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，硬化區變形而不出現裂紋或分層。這種容錯特性是與涂層或其他基于擴散工藝相比的一大優勢。即使對最小的零件也能實現均勻硬化，這是該工藝的又一優勢，其他技術是不可能實現。對直徑60μm的孔進行表面硬化，這是該工藝的特有能力。尤其在經受高周彎曲疲勞時，硬的鉻和其他涂層呈現出高的失效風險。盡管研究聲稱涂層具有高的機械強度，可以提高抗疲勞性能，但是當超過易出現裂紋萌生和擴展這一特定應力水平時，從軟的層向硬化涂層過渡區就是薄弱點。這可以導致涂層分層或在裂紋向軟層內擴展，從而影響疲勞壽命。
無其他密封的滑動軸承
表面低溫硬化不銹鋼的另一應用領域是無需其他密封的滑動軸承，從而可以用于高壓噴射系統或藥劑泵。線性驅動器也得益于這項技術。由于金屬-金屬接觸的磨損率極低，同時消除擦傷，可以實現不帶聚合物密封的簡單結構設計，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。根據彈簧的尺寸不同，彈簧系數也可能發生改變。彈簧尺寸越小，則表面低溫硬化處理對彈簧性能的影響越大。對AISI 304不銹鋼薄膜中富碳S相的研究發現，抗拉強度可從未經處理時600MPa提高到超過1500MPa。
可重復及低成本
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改善力學性能。更優良的磨損、擦傷、疲勞和氣蝕性能，使得表面低溫處理不銹鋼被大量應用在汽車工業。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鍵的材料。前面提到的具體事例，如微動磨損性能更高的動力連接件、不會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現均勻、可重復的結果。汽車在駕駛時一次故障或失靈，對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來解決。除了提高硬化零件的工藝性能外，經濟性也同樣重要。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。