等离子渗硫工艺与节能环保.doc

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10~20%，CO，NO等废气下降为零，冷却水温度下降10~30℃，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常运转，但由于油汽燃烧的热作用，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HV500~650，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5~10微米的硫化层（Fe2S+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1-2μm的过渡层，做相对运动时不仅不剥落，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133~1330Pa的真空炉内，以500~1000V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500~600℃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1~2个数量级，因此硫化层不但至密无孔，而且产生1~2μm的过渡层，结合力良好，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FeS2~X，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（F