铸铁排气歧管表面氧化处理的研究

摘 要：介绍了美国某知名公司的排气歧管表面氧化处理的工艺。用酚醛热镶嵌法测定铸铁氧化层厚度，实现氧化层厚度的准确测量。氧化处理后内孔的粗糙度及孔径不达标，用4刃镗刀镗孔改善排气管内径加工粗糙度。

关键词：表面氧化处理；水蒸汽；炉温设置；氧化层厚度；粗糙度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.036

1 引言

现代汽车在产品已形成批量投放市场后，产品质量的稳定性成为消费者首要考虑的问题。当产品的可靠性满足消费需求后，产品的外观是吸引眼球的焦点。

排气歧管做为其中重要的零部件，承担了将高温废气引出的功能，同时因为排气歧管（绝大多数产品为铸铁材料）是裸露件，因高温气体通过后与其表面与空气中的水蒸汽易发生化学反应而生锈。这样一来，排气歧管的表面防护就成了一个技术难题。国内零部件企业通常的做法为：表面涂防锈油、表面喷涂防锈漆、表面磷化处理、表面达克罗处理、表面静电喷涂等。

在众多的表面防锈处理中，大多会因为在发动测试或者在防锈处理过程中会产生环境污染，对操作工直接造成了健康方面的损害。

而相应能解决以上问题的则是表面氧化处理。而铸铁件的表面氧化处理工艺在国内则是一个空白。

2 排气歧管表面氧化处理工艺过程

2.1 任务来源

可以说，铸铁件的排气歧管表面氧化处理工艺的探索则是来自于美国CUMMINS的要求。该客户要求排气歧管表面需进行表面氧化处理，表面氧化层厚度为0.015～0.025mm。

2.2 表面氧化处理原理

将铸铁件排气歧管置于饱和蒸汽气氛中加热，使铸铁表面生成一层均匀、致密、厚约0.015～0.025mm的磁性Fe3O4薄膜的方法。其化学反应如下：

H2O [O] + H2 ↑

3Fe +4 [O] Fe3O4

氧化膜能提高铸铁的抗蚀能力、联接部位的耐磨及密封能力--需联接在一起的四缸排气歧管和两缸排气歧管不再需传统意义上的卡簧圈，使发动机排气歧管在装配时省时、省力，同时也节约了外购件采购、装配成本。

2.3 表面氧化处理工艺

（1）将铸铁排气歧管清洗干净。

（2）将清洗干净的排气歧管装在夹具内，在室温下将装有工件的夹具放入蒸汽氧化处理炉内。

（3）将炉温仪表设置在300～420℃之间，打开电源开始升温的同时打开氮气阀门通入氮气排除空气中的氧气，氮气的通入速度为16～20m3/h。

（4）炉温达到设定温度后保温1.5小时，在保温的同时通入氮气，通入氮气速度为16～20 m3/h 。

（5）将炉温仪表设置在630～690℃之间，在保持氮气通入的同时继续升温，当温度达到设定温度时关闭氮气，通入水蒸汽，水蒸汽的通入速度为5±1 m3/h 。

根据图1所示。

在630～690℃温度下，水蒸汽与铁可发生下列三种反应：

3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2↑

Fe + H2O FeO + H2↑

3FeO + H2O Fe3O4 + H2↑

（6）将炉温保持在设定的温度2.5小时，在保温的同时始终通入水蒸汽。水蒸汽通入速度5±1 m3/h ，并始终保证炉内蒸汽压力为14.57～21.46KPa。 炉内压力主要使炉内的蒸汽呈饱和状态，促使氧化更为均匀。

（7）炉温在630～690℃保持2.5小时后，关闭电源，当炉内温度降至530～610℃，关闭水蒸汽，打开炉盖，吊出工件。

完成蒸汽氧化处理的产品此时不得与不结净的任何物质接触，否则会形成黑斑，极大影响表面质量。

整个氧化处理过程温度与时间曲线关系如下图2所示。

2.4 表面氧化处理注意事项

（1）将炉温仪表设置在300～420℃之间，打开电源开始升温时，铸铁件存在的环境会有氧气存在，故而会发生以下反应：

4Fe +3 O2 2Fe2O3

而Fe2O3对氧化处理来说是有害的，为避免以上反应，必须在升温的同时打开氮气阀门通入氮气排除空气中的氧气。

（2）铸铁蒸汽氧化处理时，首先由水蒸汽与铁接触而分解出活性氧原子，活性氧原子再与铁起作用生成Fe3O4核心。晶核长大后，便在零件表面上形成一层连续的Fe3O4氧化膜，其反应式为：

H2O [O] + H2 ↑

3Fe +4 [O] Fe3O4

（3）铸铁蒸汽氧化处理反应进行的方向，取决于温度。当温度低于600℃时，蒸汽氧化处理基本不进行。当温度高于600℃时，在连续通水蒸汽的条件下，反应是向生成Fe3O4方向进行的。当温度过高，超过700℃时，氧化膜开始破坏。

（4）鑄铁蒸汽氧化处理反应，需控制水蒸汽的通入速度。水蒸汽的通入速度过大，势必会带走大量的温度，这样一来会增加能耗；同时，水蒸汽的通入速度过大，会也不利于Fe3O4的生成。

（5）铸铁蒸汽氧化处理反应进行的方向，决定于H2O、H2的相对含量。连续通蒸汽，水蒸汽的浓度永远保持大于氢气的浓度，因此反应永远向生成Fe3O4方向进行。

3 表面氧化层厚度的检测

酚醛热镶嵌法测定铸铁氧化层厚度。在试块制作过程中，不能以普通的方式进行。经过大量的试验证明，镶嵌试块在磨制过程中，须以一定的转速、合适角度范围内的力度、特殊配制的磨削液进行磨制。否则氧化膜易剥落。

氧化层厚度检测结果在100倍显微镜下照片如下图3所示：

4 氧化处理后加工面质量

氧化处理后加工面粗糙度评定则是氧化处理工艺成功与否的指标之一。

一般情况下，氧化处理后的平面的加工面粗糙度与氧化处理前无太大出入，但主要是镗孔的部位则变化差别较大。我公司的需氧化处理的排气歧管在氧化处理后，粗糙度指标却不易保证。在氧化处理前是合格的，但在处理后检测数据跳动大。后经原因排查，主要是加工的刀具原因造成的。我们将以往镗孔常规用的2刃镗刀改为4刃镗刀，则将氧化处理后的内径粗糙度有效地控制在图纸要求范围内。

5 结论

（1）温度控制是蒸汽氧化处理关键。

（2）蒸汽通入速度对蒸汽氧化处理表面质量起主要作用。

（3）氧化处理时间是保证氧化处理厚度的决定性因素。

（4）氧化层检测方法是评定蒸汽氧化处理质量是否稳定的关键。

参考文献：

[1]宝成.热处理工艺学（初级本）[M].科学普及出版权社，1983（01）.

[2]机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定委员会编著.机械工业理化检验人员培训教材（共三卷）[M].上海科学普及出版社.

作者简介：李振河（1974-），男，大专，助理工程师。