季中輝

JI Zhong-hui

（神龍汽車(chē)有限公司，武漢 430056）

0 引言

離子氮化屬于現(xiàn)代材料表面改性技術(shù)，又稱(chēng)為離子沖擊（或轟擊）擴(kuò)滲技術(shù)或離子沖擊表面處理技術(shù)，能夠顯著提高鋼鐵零件表面硬度、耐磨損、耐疲勞和耐腐蝕性能的化學(xué)熱處理工藝。該技術(shù)是將待處理零件置于真空狀態(tài)下，由于電場(chǎng)作用，爐內(nèi)稀薄氣體(NH3或H2+N2)被電離，氮離子定向撞擊陰極，零件表面產(chǎn)生輝光放電并被加熱，在一定氣氛和一定溫度下，零件表面復(fù)合、吸收氮原子，形成高濃度的含氮層并向心部擴(kuò)散從而得到所需要的氮化層的處理工藝。具有效率高、耗能少、變形小、無(wú)污染等傳統(tǒng)熱處理工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以得到迅速的推廣與應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)的離子氮化技術(shù)發(fā)展很快，但是大部分還是處在小批量、試驗(yàn)性的階段，尚未得到批量的生產(chǎn)應(yīng)用。神龍汽車(chē)有限公司在引入一種AEB平衡箱的產(chǎn)品時(shí)，通過(guò)不斷的研究與試驗(yàn)，成功的將離子氮化技術(shù)應(yīng)用到汽車(chē)行業(yè)，在齒輪零件的工業(yè)化生產(chǎn)中得到大批量應(yīng)用。

1 設(shè)備選型

在生產(chǎn)準(zhǔn)備之初，我們對(duì)國(guó)外、國(guó)內(nèi)的離子氮化現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大多還停留在小批量、人工控制的階段，質(zhì)量狀況不穩(wěn)定。選用國(guó)外設(shè)備又要面臨造價(jià)高昂，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)困難等問(wèn)題。為兼顧各方面的利益，我們最終選擇本地公司進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)，該公司依托高?？蒲?、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在離子氮化設(shè)備生產(chǎn)方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)地域接近，安裝調(diào)試方便，費(fèi)用約為國(guó)外同類(lèi)設(shè)備的60%左右。

根據(jù)我們產(chǎn)品的特點(diǎn)以及產(chǎn)能規(guī)劃，該設(shè)備在選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

1）產(chǎn)品質(zhì)量滿(mǎn)足圖紙要求，質(zhì)量水平穩(wěn)定；

2）產(chǎn)能滿(mǎn)足規(guī)劃目標(biāo)，同時(shí)具有提升產(chǎn)量的能力；

3）操作簡(jiǎn)單、規(guī)范；

4）設(shè)備工作穩(wěn)定，符合安全要求；

5）低碳、環(huán)保，耗能少，無(wú)污染物排放。

1.1 質(zhì)量保證

需要氮化的毛坯材料為27MnCr5，經(jīng)過(guò)退火處理后加工出齒型，然后進(jìn)行離子氮化。產(chǎn)品要求為表面硬度＞600HV1；齒面上距齒根2.5mm處氮化層（白亮層）深度3～10μm；齒面及齒根處氮化層深度EC（400HV0.3）＞0.1mm。根據(jù)調(diào)研，目前在國(guó)內(nèi)普遍使用調(diào)質(zhì)材料進(jìn)行離子氮化，對(duì)氮化層只有下限要求，同時(shí)不考核齒根處氮化指標(biāo)。

為滿(mǎn)足產(chǎn)品要求，需要對(duì)影響質(zhì)量的溫度、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精確匹配，確保各項(xiàng)指標(biāo)合格。同時(shí)，設(shè)備要具有同一性，即每爐零件的質(zhì)量波動(dòng)幅度都要穩(wěn)定在可接受狀態(tài)。

1.2 產(chǎn)能規(guī)劃

按照產(chǎn)能規(guī)劃，一期要求年產(chǎn)齒輪33萬(wàn)件，這就要求設(shè)備結(jié)構(gòu)要合理、裝爐量大、運(yùn)行可靠、RS要求達(dá)到0.8以上。同時(shí)，還要具備有提升產(chǎn)量的能力。

對(duì)如此高的產(chǎn)量來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的清洗方法，即人工使用純度較高的汽油（酒精、丙酮）中浸泡，清洗干凈取出放在空氣里涼干然后裝爐，這樣的方式肯定不能滿(mǎn)足我們的需要，為此，清洗方法問(wèn)題也是需要重點(diǎn)研究的對(duì)象。

1.3 操作簡(jiǎn)單、規(guī)范

國(guó)內(nèi)的離子氮化設(shè)備還處在人工監(jiān)控的狀態(tài)，即溫度、真空度、氣體流量等主要依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)，每爐的質(zhì)量狀況都存在不確定性。為了適應(yīng)大批量的生產(chǎn)，要求新設(shè)備必須能夠按照預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，各參數(shù)要能實(shí)施監(jiān)控并反饋，為此，需要在離子氮化設(shè)備上使用了全閉環(huán)控制，這在國(guó)內(nèi)離子氮化行業(yè)尚屬首次。

1.4 設(shè)備穩(wěn)定、安全

安全是生產(chǎn)的前提，包括人身安全、設(shè)備安全和工件安全，對(duì)于熱處理設(shè)備來(lái)說(shuō)，安全問(wèn)題尤為重要。為此，要求選用國(guó)內(nèi)外成熟的元器件，配置必要的安全元件、警告、提醒標(biāo)識(shí)，所有動(dòng)作都要有監(jiān)控，自動(dòng)化程序的聯(lián)鎖、互鎖功能完善。

1.5 節(jié)能環(huán)保

離子氮化設(shè)備在升溫過(guò)程中，工件溫度主要靠離子轟擊產(chǎn)生的熱量來(lái)升溫，這與傳統(tǒng)熱處理設(shè)備相比具有無(wú)可比擬的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，除此之外，活化屏、雙陰極等國(guó)外新技術(shù)的應(yīng)用也可大大降低能耗。

環(huán)保方面，主要是氣體介質(zhì)的選擇。國(guó)內(nèi)多數(shù)離子氮化是使用氨氣，氨氣無(wú)毒、易揮發(fā)，具有刺激性氣味，長(zhǎng)期暴露在氨氣環(huán)境中會(huì)引起人體機(jī)能受損，但氨氣價(jià)格便宜，易于采購(gòu)和運(yùn)輸，使用成本低?？紤]到環(huán)保和人身安全，我們選擇了H2+N2的方案，雖然需要兩路流量控制，設(shè)備較為復(fù)雜，但更易于控制氣體含量，更有利于人身、環(huán)境安全。

2 設(shè)計(jì)制造

設(shè)備基本原則確定之后，首先使用同等材料在通用離子氮化設(shè)備上進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)，摸索出了該材料適合的溫度、時(shí)間范圍，為設(shè)備設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)資料。

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

在充分消化、吸收國(guó)內(nèi)外離子氮化設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，該設(shè)備引入了活化屏、雙陰極、第二代脈沖離子電源等先進(jìn)技術(shù)，使設(shè)備密封性能、保溫條件等性能大幅提升；雙層爐壁中間有兩路工藝循環(huán)水系統(tǒng)，可以保護(hù)設(shè)備不受高溫影響，降溫迅速。另外還有一個(gè)大流量氣體輸入接口，配以軸流風(fēng)機(jī)、熱交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速降溫、縮短輔助時(shí)間，同時(shí)還可實(shí)施部分材料的淬火工藝。

為確保安全、高效，擯棄了傳統(tǒng)的行車(chē)起吊爐體的裝料方式，創(chuàng)新的使用了爐體固定，底盤(pán)升降，小車(chē)輸送的方式，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)底盤(pán)和爐體的自動(dòng)對(duì)接，連接可靠，不需要行車(chē)等吊裝設(shè)備。同時(shí)，精心的設(shè)計(jì)還為以后新增產(chǎn)能預(yù)留了一拖二的功能，通過(guò)簡(jiǎn)單改造，即可在新增40%投資的情況下將產(chǎn)能提升至現(xiàn)在的2.5倍以上如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

爐內(nèi)分為上、中、下三區(qū)，加入了三路輔助加熱系統(tǒng)，可以使升溫更快，采用三路熱電偶測(cè)量爐內(nèi)不同位置的溫度，通過(guò)控制系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)各處電壓、電流，使?fàn)t內(nèi)各處溫度均勻，并與工件溫度保持一致。電極使用水冷保護(hù)，延長(zhǎng)使用壽命；陽(yáng)極輸電采用氣隙保護(hù)，更加高效、安全、穩(wěn)定。

使用兩路美國(guó)Alicat公司的質(zhì)量流量控制器，分別控制H2和N2的流量，并可根據(jù)各階段不同需要而自動(dòng)調(diào)節(jié)比例。同時(shí)，這種配置還為進(jìn)行不同熱處理工藝、采用不同材料預(yù)留了空間。

2.2 電源及控制系統(tǒng)

電源系統(tǒng)的主要元件，如可控硅、二極管和斬波電路的功率電子開(kāi)關(guān)器件IGBT、快恢復(fù)二極管模塊等，全部采用進(jìn)口模塊，體積小、一致性好、可靠性高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便。

脈沖型離子電源的整流變壓器采用我國(guó)新一代變壓器制造方法，漏磁、損耗小，功耗低；整流電路采用兩組三相全控橋可控整流電路串聯(lián)，對(duì)器件的耐壓要求適中，同時(shí)有更好的紋波系數(shù)，整流電壓更平穩(wěn)；整流電路中的模塊式可控硅的散熱片與電回路絕緣，因而具有同步性好和方便維修的優(yōu)點(diǎn)；為了保證整流電壓的穩(wěn)定，采用隔離型電壓負(fù)反饋控制電路，這就既保證了整流電壓不因輝光電流變化而變化，又保證了整流電壓控制器的弱電電路板不帶高壓電，保證了設(shè)備和維修人員的人身安全。

斬波電路的主電路和控制器采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、滅弧迅速，保護(hù)可靠，即使在離子電源陰陽(yáng)極出現(xiàn)短路時(shí)仍有可靠的保護(hù)而不會(huì)出現(xiàn)損壞工件及設(shè)備的情況?；≡茨芰康燃?jí)檢測(cè)裝置使設(shè)備在工作時(shí)可選擇調(diào)節(jié)弧源檢測(cè)靈敏度，適應(yīng)不同的精細(xì)加工要求。

加熱電源采用隔離的低電壓、大電流工作方式（避免真空放電與脈沖離子電源干擾），通過(guò)電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒流控制，可根據(jù)升溫功率的需要手動(dòng)或自動(dòng)從零至最大調(diào)節(jié)加熱電流。該控制方案可更好的避免過(guò)流現(xiàn)象的出現(xiàn)，即使在加熱元件出現(xiàn)局部短路時(shí)仍能避免過(guò)流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，預(yù)設(shè)好工藝參數(shù)與加工過(guò)程后，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人生產(chǎn)，具有完善的故障診斷、報(bào)警功能，同時(shí)，可通過(guò)攝像頭、通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.3 真空系統(tǒng)

選配德國(guó)萊寶機(jī)械旋片式真空泵二臺(tái)，配以真空蝶閥、真空計(jì)等組成真空系統(tǒng)，準(zhǔn)備階段兩臺(tái)泵同時(shí)啟動(dòng)，生產(chǎn)過(guò)程中一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，可實(shí)現(xiàn)真空度≤6.67Pa，壓升率≤1.3×10-1Pa/min的指標(biāo)。

3 生產(chǎn)調(diào)試

設(shè)備安裝就位后即進(jìn)入生產(chǎn)調(diào)試階段，按照單件、小批量、滿(mǎn)爐的順序進(jìn)行。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)單件和小批量狀態(tài)生產(chǎn)的零件符合技術(shù)要求，但隨著裝爐量的增大，發(fā)現(xiàn)同爐零件質(zhì)量狀況不一致，同時(shí)齒根部也不滿(mǎn)足技術(shù)要求，并且沒(méi)有規(guī)律可循。通過(guò)分析、試驗(yàn)，終于找到了不合格原因。

3.1 工藝參數(shù)

在調(diào)試之初，經(jīng)常遇到氮化層深和化合物層深不合格的問(wèn)題，為此，對(duì)影響質(zhì)量的各參數(shù)，如溫度、時(shí)間、壓力、電壓、電流等參數(shù)分別調(diào)整。如根據(jù)鐵碳合金相圖首先確定溫度范圍，因?yàn)榈瘜拥挠捕群蜐B層與溫度、時(shí)間、濃度有極值關(guān)系，所以根據(jù)毛坯材料及預(yù)先熱處理特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多輪實(shí)驗(yàn)，終于確定氮化溫度，驗(yàn)證合格后予以固化，然后再改變其他參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終摸索出全部工藝參數(shù)控制范圍。

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)零件在升溫、保溫過(guò)程中采用不同的氣體流量、壓力，對(duì)零件的金相組織有影響，同時(shí)，也會(huì)造成打弧、升溫過(guò)程的變化。根據(jù)這些規(guī)律，又將整個(gè)過(guò)程劃分為10個(gè)階段，各階段分配不同的溫度、壓力、流量及氣體配比，對(duì)各階段實(shí)現(xiàn)精確控制如表1所示。

國(guó)內(nèi)離子氮化一般應(yīng)用在如曲軸、氣門(mén)頂桿等外圓光滑的零件或者重型汽車(chē)齒輪上，在小模數(shù)的轎車(chē)齒輪還沒(méi)有應(yīng)用。在調(diào)試時(shí)我們也遇到齒底氮化不到的現(xiàn)象，最初采用增大壓力的方法，以使輝光深入到齒底，結(jié)果直至輝光很薄甚至將近熄滅時(shí)都不能氮化到齒底，后來(lái)就采取相反手段，結(jié)果在100pa時(shí)達(dá)到要求的氮化指標(biāo)。

3.2 溫度控制

在溫度測(cè)量方面，如何在高溫的環(huán)境中準(zhǔn)確得到工件溫度一直是亟待解決的難題，為了得到準(zhǔn)確溫度數(shù)值。通過(guò)分析，認(rèn)為造成溫度不準(zhǔn)確的原因是在真空環(huán)境中，熱傳導(dǎo)只能依靠輻射進(jìn)行，而零件本身由于離子轟擊有輝光存在，所以工件溫度總是高于熱電偶溫度，每次熱電偶與工件的距離不同就導(dǎo)致測(cè)得的數(shù)值不同，另外還有如果熱電偶離工件太近也有直接接觸零件的可能，導(dǎo)致幾處測(cè)得的溫度不同。后來(lái)專(zhuān)門(mén)做了測(cè)溫工裝，但是由于直接接觸導(dǎo)致熱電偶很快損壞，經(jīng)反復(fù)試制，終于使用一種小孔技術(shù)（兩導(dǎo)體之間間隙小于1mm）將此問(wèn)題突破。針對(duì)爐內(nèi)不同部位質(zhì)量狀況不同的現(xiàn)狀，將原先爐壁的三路熱電偶調(diào)整到上、中、下三區(qū)的零件上，重新匹配PID參數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可將四處溫度波動(dòng)范圍控制在±3℃的范圍內(nèi)如圖3所示。

表1 脈沖電源對(duì)工件升溫、保溫參數(shù)設(shè)置

3.3 零件清洗

使用工業(yè)清洗機(jī)，發(fā)現(xiàn)零件表面有不能氮化的黑斑，在升溫階段有大量的打弧現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至造成零件尖角部位燒蝕，同時(shí)表面質(zhì)量不一致。后經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用了兩次清洗，即第一次使用傳統(tǒng)清洗劑去除油污雜質(zhì)，第二次使用去離子水加專(zhuān)門(mén)配置的清洗劑保證表面質(zhì)量，終于一舉獲得成功，徹底改寫(xiě)了以往手工清洗效率低下、安全條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能大批量生產(chǎn)的弊端，為批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 過(guò)程曲線(局部)

在料框的設(shè)計(jì)上，根據(jù)三種零件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種通用料框，不但節(jié)約投資，而且減少占地面積，方便管理。為保證清洗質(zhì)量，采用了非常規(guī)的擺放姿態(tài)，確保每個(gè)零件表面清潔、干燥。

3.4 裝料方式

在設(shè)計(jì)之初，計(jì)劃是三種零件分別進(jìn)爐，輪換生產(chǎn)，但由此帶來(lái)的庫(kù)存、品種數(shù)量不匹配等問(wèn)題困擾著車(chē)間。為解決此問(wèn)題，將工裝稍加改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了三種零件同時(shí)進(jìn)爐，每爐數(shù)量一致，做到了均衡生產(chǎn)。

精心設(shè)計(jì)的工裝，實(shí)現(xiàn)了快速裝夾，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)增加氣隙保護(hù)和導(dǎo)電裝置，保證零件各處電場(chǎng)均勻，同時(shí)不會(huì)發(fā)生打弧短路現(xiàn)象。

3.5 操作模式

設(shè)備具有友好的人機(jī)對(duì)話功能，可方便的實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)操作，并可隨時(shí)轉(zhuǎn)換工作模式。在自動(dòng)模式下，除裝卸料外，其他操作可實(shí)現(xiàn)全程無(wú)人生產(chǎn)，大大節(jié)約人力資源，操作者可在遠(yuǎn)處通過(guò)設(shè)備本身的自診斷及報(bào)警功能觀察到設(shè)備狀態(tài)，如遇重大故障，設(shè)備能夠自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)如圖4所示。

圖4 主操作界面

除此之外，人機(jī)界面還有參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、報(bào)警記錄、系統(tǒng)報(bào)表等子界面，將設(shè)備運(yùn)行的全部狀態(tài)、參數(shù)等反映出來(lái)，便于隨時(shí)了解設(shè)備情況，利用自診斷功能快速、準(zhǔn)確的判斷問(wèn)題。

4 質(zhì)量狀況

圖5 質(zhì)量檢驗(yàn)

通過(guò)全閉環(huán)控制、規(guī)范化的操作、完善合理的工藝設(shè)計(jì)等手段，保證了生產(chǎn)的一致性，目前，該設(shè)備已生產(chǎn)近10萬(wàn)套汽車(chē)齒輪，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一次不合格現(xiàn)象，且質(zhì)量水平都在產(chǎn)品要求的中值附近，波動(dòng)很小。從圖5(a)中可以看出，在齒面各部位化合物層均勻、穩(wěn)定，也沒(méi)有出現(xiàn)脈狀氮化物；從圖5(b)中看到，整個(gè)齒形從齒頂?shù)烬X根都被均勻氮化，而內(nèi)孔和端面則沒(méi)有被氮化，保持了原有的機(jī)械性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

離子氮化的應(yīng)用范圍已經(jīng)越來(lái)越廣，在此次調(diào)試過(guò)程中也積累了很多經(jīng)驗(yàn)，如工藝參數(shù)匹配、清洗方法的創(chuàng)新、退火鋼直接氮化等，并形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新工藝，在機(jī)械、汽車(chē)行業(yè)的生產(chǎn)中具有寶貴的推廣價(jià)值，同時(shí)，也使國(guó)內(nèi)的熱處理產(chǎn)業(yè)與國(guó)際水平的差距越來(lái)越小。

[1] 劉永銓. 鋼的熱處理[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社,1981.

[2] 云騰,周上祺,等. 純氮離子滲氮工藝及機(jī)理研究[J].金屬熱處理,2003,28(4)： 68-72.