汽车用不锈钢的表面低温硬化处理
时间：2019-06-13
作者：无锡不锈钢板
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尽管奥氏体无锡不锈钢因优异的耐蚀性而得到大量应用，但其摩擦学特性差，尤其是抗磨蚀或粘着磨损性能低，并具有微动磨损趋势，阻碍了这类材料在需要耐腐蚀和耐磨损领域中的应用。德国鲍迪克公司不锈钢处理（S3P）线提供了增加材料机械性能而不改变耐腐蚀特性的解决方案。热化学扩散工艺形成富碳或富氮S相，同时避免碳化物或氮化物析出。典型的应用包括食物、饮料、药物、医疗用品以及化学工艺设备，不过，本文将主要介绍不锈钢在汽车行业的应用。
无锡不锈钢长期以来被用作汽车结构件或装饰件。一个典型的例子就是劳斯莱斯幻影的奥氏体不锈钢前罩板和不锈钢内嵌件。不锈钢中主要是铁素体不锈钢在汽车上大量使用，因为铁素体不锈钢能够使排气系统在高温、腐蚀环境下工作。如排气岐管、管路和消音器等零部件，均采用AISI 409不锈钢制作。更昂贵的不锈钢，如双相不锈钢，已经在汽车上得到规模应用，由双相不锈钢制作的功能零件结合了机械强度和极高的抗腐蚀性能。汽车行业正面临着安全和高效方面的严格要求，这对应用不锈钢材料来说是一个极好的机遇。
抗机械摩擦的新前沿
下面来看一个具体例子。某汽车工程公司生产滑动轴承，在应用S3P线处理后，生产出的滑动轴承性能得到提升，证实了S3P如何完美地改善不锈钢的力学性能。对电磁阀用滑动轴承，当采用未经硬化处理的不锈钢时，轴承工作24万次后失效，而采用类金刚石涂层（DLC）材料时，在7400万次后失效。当使用表面低温硬化处理的不锈钢时，轴承寿命远超过任何以往的记录，轴承在工作5.6亿次后仍然可以运转。尽管DLC具有非常高的滑动性能，它的表面硬度远超过S相，但是S3P处理能使无锡不锈钢零件抗腐蚀性能、硬度、韧性和疲劳强度等综合性能得到大幅提升。
更深入的应用领域
在表面低温硬化条件下形成的10-40μm扩散层，其关键优势是消除任何可能的分层风险，这对抗压力冲击和热冲击性能而言也是有益的。尽管无锡不锈钢中富碳S相的硬度超过1000HV0.05，但是在快速装炉过程中仍然保持塑性。这些特征使其应用在高产、高技术汽车行业的许多地方，目前应用领域包括内燃机、动力传递、传动和排气系统。S3P甚至可以硬化体积最小的零部件，这带来成本优化。以下给出的例子说明这些硬化不锈钢可以满足更多领域并降低总成本。
消除动力连接件的擦伤
安装在内燃机附件的机械运动零件遭受相对高的腐蚀。路面上的盐分或者在滨海附近开车，增加了不同机械零件腐蚀损害的风险。发动机舱内的高温进一步提高腐蚀效应。当考虑发动机内部使用腐蚀性生物燃料时，机械零件也会遭受其他形式的腐蚀。
对动力连接件而言，特别是抗擦伤能力尤为重要。与未经处理的表面相比，低温渗碳表面具有明显优势。按照ASTM G98标准对AISI 316L不锈钢进行的测试结果表明，与未经处理的表面相比，经处理后擦伤门槛应力值大幅提升。未经处理不锈钢在45.5MPa时被擦伤，而渗碳表面在842.5MPa时还未见擦伤。这一数值超过材料的屈服强度，因此发生塑性变形。
替代涂层
由于欧盟汽车报废指令或有害物质限制（RoHS），欧洲汽车行业开始替代硬的铬涂层。对耐蚀、耐磨零部件的要求导致这种替代朝两个方向发展。一是利用其他类型的涂层，比如化学镀镍，二是通过扩散工艺细化基体材料。从磨损的角度看，对无锡不锈钢而言涂层比扩散工艺更具优势。涂层的硬化层厚度可以更厚，不过S3P工艺可以提高耐腐蚀性，且不会出现涂层不完整的风险。
在处理后不需要机加工是S3P工艺的一个优势，从而降低总成本，实现处理复杂几何形状、锐边和内部结构的可能，这对涂层而言通常是不可能的。确实，由于扩散过程的特性，采用S3P表面低温硬化处理大批量材料是有可能的。在快速装炉时，硬化区变形而不出现裂纹或分层。这种容错特性是与涂层或其他基于扩散工艺相比的一大优势。即使对最小的零件也能实现均匀硬化，这是该工艺的又一优势，其他技术是不可能实现。对直径60μm的孔进行表面硬化，这是该工艺的特有能力。尤其在经受高周弯曲疲劳时，硬的铬和其他涂层呈现出高的失效风险。尽管研究声称涂层具有高的机械强度，可以提高抗疲劳性能，但是当超过易出现裂纹萌生和扩展这一特定应力水平时，从软的层向硬化涂层过渡区就是薄弱点。这可以导致涂层分层或在裂纹向软层内扩展，从而影响疲劳寿命。
无其他密封的滑动轴承
表面低温硬化不锈钢的另一应用领域是无需其他密封的滑动轴承，从而可以用于高压喷射系统或药剂泵。线性驱动器也得益于这项技术。由于金属-金属接触的磨损率极低，同时消除擦伤，可以实现不带聚合物密封的简单结构设计，见图3。
弹簧疲劳性能改善
由于存在富碳S相，无锡不锈钢具有更高的疲劳极限，弹簧寿命的周期可以延长，而失效的可能性降低。根据弹簧的尺寸不同，弹簧系数也可能发生改变。弹簧尺寸越小，则表面低温硬化处理对弹簧性能的影响越大。对AISI 304不锈钢薄膜中富碳S相的研究发现，抗拉强度可从未经处理时600MPa提高到超过1500MPa。
可重复及低成本
低温表面硬化处理使无锡不锈钢在保持良好的抗腐蚀性能的同时改善力学性能。更优良的磨损、擦伤、疲劳和气蚀性能，使得表面低温处理不锈钢被大量应用在汽车工业。为了满足可靠零部件和更高效汽车的要求，表面硬化处理的不锈钢是关键的材料。前面提到的具体事例，如微动磨损性能更高的动力连接件、不会堵塞的不锈钢燃油附件、疲劳性能更高的弹簧以及用于高压阀的零件，全面阐释了表面低温硬化处理可提高不锈钢的各种性能。此外，重要的是这种工艺实现均匀、可重复的结果。汽车在驾驶时一次故障或失灵，对品牌汽车商而言就是一次重大事故，而这可以通过低温表面硬化技术来解决。除了提高硬化零件的工艺性能外，经济性也同样重要。S3P表面低温硬化处理也可以一次大量处理尺寸小的零部件，迎合成本目标。