王春濤, 何小峰
(1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院, 浙江舟山 316022;2. 浙江金海塑料機(jī)械有限公司, 浙江舟山 316000)
塑機(jī)螺桿高效滲氮工藝研究
王春濤1, 何小峰2
(1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院, 浙江舟山 316022;2. 浙江金海塑料機(jī)械有限公司, 浙江舟山 316000)
采用二段三循環(huán)法對38CrMoAlA料筒螺桿進(jìn)行表面氮化改性處理,經(jīng)35h滲氮處理后,滲氮層深度超過0.55 mm,表面硬度大于HV900,表面氮化脆度為一級(jí)。該結(jié)果表明二段三循環(huán)法可出比常規(guī)的二段滲氮法減少時(shí)間40%左右。
螺桿;二段三循環(huán)法;38CrMoAlA;氣體滲氮
滲氮是在AC1溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝,其不僅能夠提高零件的硬度、耐磨性、疲勞性和表面抗蝕性能,而且還因熱處理溫度低變形小等特點(diǎn)被作為金屬材料改性的主要工藝之一,其中氣體滲氮工藝出其工藝簡單、成本低出及對不同形狀和尺寸零件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢而成為最廣泛使用的滲氮方法。注塑機(jī)料筒螺桿形狀總體呈圓形,直徑一般在20~250 mm,長度一般在500~4 000 mm,服役條件要求其具有高硬度、高耐磨性、高疲勞性和良好的抗腐蝕性能,而且要求心部要具有良好的韌性,該外形尺寸和性能要求一般最適合于井式爐氨氣滲氮工藝。目前料筒螺桿氨氣氮化普遍采用傳統(tǒng)二段滲氮處理工藝,但該工藝處理時(shí)間長,導(dǎo)致耗能、耗氣成本上升等缺點(diǎn),一般氮化時(shí)間均在72 h左右。
為了減少氮化時(shí)間,氮化熱處理技術(shù)工作者在不降低料筒螺桿性能的條件下采用各種工藝方法來減少氮化時(shí)間,如采用稀土催滲法[1-2]、電解氣體滲氮法[3-4]和CCl4催滲法[5]等。稀土催滲法是把稀土元素在熔煉鋼材時(shí)加入進(jìn)去或者加入到爐內(nèi);電解氣體滲氮法需要一套電解裝置和電解原料,增加了成本;而CCl4催滲法又會(huì)對料筒螺桿本身產(chǎn)生侵蝕。因此實(shí)際效果不盡理想。本文在傳統(tǒng)單循環(huán)二段滲氮法的基礎(chǔ)上采用二段三循環(huán)法來減少氮化時(shí)間,該工藝無需其他額外設(shè)備和材料,只需通過調(diào)節(jié)溫度和氨氣分解率來提高滲氮效率,而對零件本身不會(huì)產(chǎn)生其他影響。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料和氮化爐
試樣材料選用38CrMoAlA,形狀為帶孔的圓塊狀,外徑為30 mm,內(nèi)孔徑為10 mm,厚度為5 mm,滲氮?jiǎng)閱我灰喊?。采用井式氣體氮化爐進(jìn)行滲氮,用安裝在爐蓋上的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)氣氛和溫度均勻,其爐罐尺寸為Φ850×4500,內(nèi)襯材料為1Cr8Ni9Ti,額定功率100 kW,圖1為氣體氮化裝置示意圖。
圖1 氣體氮化裝置示意圖Fig.1 Schematic view of gas nitriding device
1.2 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理
試樣氮化處理前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)工藝為930℃油淬650℃回火。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的試樣用鋼絲系住,隨螺桿懸掛在爐子中間,在低于200℃進(jìn)行排氣處理防止螺桿發(fā)生氧化,充入大量氨氣進(jìn)行排氣,氨氣流量為50 L/min,排氣時(shí)間為3 h左右,爐溫升到440℃時(shí),保溫2 h,使工件內(nèi)外溫度均勻防止發(fā)生變形,同時(shí)使氨氣流量控制在25 L/min。
1.3 氣體滲氮工藝
圖2為二段三循環(huán)氨氣滲氮工藝。滲氮第一階段采用較低的氨分解率30%和較低的滲氮溫度520℃,滲氮時(shí)間為4 h,第二階段采用較高的氨分解率50%和較高的滲氮溫度560℃,滲氮時(shí)間為6 h,重復(fù)三循環(huán),第三循環(huán)完成后進(jìn)行3h退氮處理,最后180 ℃出爐。圖3為二段氨氣滲氮工藝圖,氨氣分解率、溫度和前者一樣,只是第一階段時(shí)間為30 h,第二階段時(shí)間為35 h。
圖2 二段三循環(huán)氣體滲氮工藝曲線Fig.2 Technological curve of two-stage three-cycle gas nitriding method
圖3 二段氣體滲氮工藝曲線Fig.3 Technological curve of two-stage gas nitriding method
1.4 性能測試
采用XJG-05金相顯微鏡(南京江南永新光學(xué)有限公司制造)根據(jù)GB/T11354-1989對試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察、硬度梯度及脆性測試。
圖4為二段氣體滲氮的表面氮化層放大500倍的顯微組織,白亮層厚度約為0.01 mm,擴(kuò)散層中有很少量白色氮化物呈脈狀分布,氮化物級(jí)別符合二級(jí);圖5為二段三循環(huán)氣體滲氮的表面氮化層500倍的顯微組織,白亮層厚度約為0.11 mm,在近表面的擴(kuò)散層中有少量白色氮化物呈脈狀分布,氮化物級(jí)別符合三級(jí)。圖6為兩工藝獲得的試樣表面氮化層硬度分布情況,從圖可知,兩段氣體法和二段三循環(huán)氣體滲氮法獲得的表面硬度均在1000HV0.3左右,并且硬度梯度分布均較為合理,且氮化層深度均超過0.50 mm。經(jīng)壓痕試驗(yàn)后,兩試樣氮化層脆性等級(jí)均為1級(jí)。說明兩種工藝獲得的氮化物級(jí)別、氮化物硬度和深度符合料筒螺桿技術(shù)要求。
圖4 二段氣體滲氮的表面氮化層顯微組織500×Fig.4 Surface nitriding layer microstructure of two-stage gas nitriding method
本文兩種滲氮工藝中第一階段為強(qiáng)滲階段,都采用較低的滲氮溫度520℃和較低的氨分解率30%,目的是在工件表面形成高彌散度的高硬度合金氮化物,氮滲層較淺;而第二階段為擴(kuò)散階段,將滲氮溫度提高到較高的560℃和較高的氨分解率50%,出加速氮在鋼中的擴(kuò)散,增加滲層深度。
圖5 二段三循環(huán)氣體滲氮的表面氮化層顯微組織500×Fig.5 Surface nitriding layer microstructure of two-stage three-cyclegas nitriding method
從圖4和圖5中可出看出,在金相顯微鏡下呈白亮色的為ε相白亮層(它是出Fe2-3N為基的固溶體),次層是在基體α上彌散分布的γ’相(它是出Fe4N為基的固溶體),呈黑色。由于氮在ε相中擴(kuò)散速度最慢,故滲層形成后ε相就成為一層阻礙氮原子向內(nèi)擴(kuò)散的屏障,故滲氮處理一段時(shí)間后,滲氮層增長的速度就顯得很慢。
采用二段三循環(huán)氣體滲氮法比二段滲氮法減少滲氮時(shí)間而螺桿各項(xiàng)性能保持幾乎相同的指標(biāo)主要有出下幾個(gè)因素起作用:
首先,上述工藝是充分利用氮?jiǎng)荩↘n= pNH3/(pH2)1.5)和滲氮溫度的周期變化,給原子滲氮提供較大驅(qū)動(dòng)力[6]。通過對溫度和氨流量等工藝參數(shù)的周期調(diào)節(jié),先控制高氮?jiǎng)菁吹桶睔夥纸饴?0%出利于滲氮層的形成,讓工件表面堆積較多的氮原子;后把溫度由520℃升高至560℃,使?jié)B氮?dú)夥仗幱诘偷獎(jiǎng)菁窗睔夥纸饴?0%,有利于滲氮層的分解和氮原子的擴(kuò)散,氮原子將快速地向內(nèi)擴(kuò)散,經(jīng)過3個(gè)或若干周期的循環(huán)氮?jiǎng)轁B氮,滲氮層便迅速向工件內(nèi)部推進(jìn),達(dá)到加速離子滲氮的目的。
另外,由于通過調(diào)整優(yōu)化滲氮工藝參數(shù),可形成滲氮層中各種有利于氮原子的擴(kuò)散通道,從而提高了氮在ε相滲氮層中的擴(kuò)散速度。周上祺[7]認(rèn)為該通道是經(jīng)周期性的循環(huán)滲氮和周期性時(shí)效而使材料產(chǎn)生的某種相和缺陷,使得氮原子的擴(kuò)散速度加快。滲氮后加熱到一定溫度發(fā)生時(shí)效,ε相發(fā)生條幅分解,使晶粒內(nèi)周期性地出現(xiàn)α”相區(qū)。亞穩(wěn)態(tài)的α” 相中鐵原子排列的緊密程度和α相中相同,故氮在α”
圖6 兩個(gè)工藝獲得的試樣硬度分布Fig.6 Hardness distribution of samples under two techonlogies
相中的擴(kuò)散系數(shù)近似于α相,即氮在α”相中的擴(kuò)散系數(shù)比在ε相和γ’相中大得多。這些相區(qū),就是氮原子通過原ε相的通道。另外,由于α”相和合金氮化物的析出,增加了氮原子的擴(kuò)散,相當(dāng)于形成了缺陷通道。時(shí)效后再滲氮可出充分利用氮原子擴(kuò)散的物相、晶格和缺陷通道,從而提高氮原子在滲氮層中擴(kuò)散速度。周期性循環(huán)滲氮是一種比較可行的優(yōu)化滲氮工藝。
采用二段三循環(huán)法對38CrMoAlA料筒螺桿進(jìn)行氮化處理可在保持相同的性能條件下比傳統(tǒng)的二段法減少時(shí)間40%左右,起到很好的節(jié)能減排作用。
快速滲氮主要是充分利用氮?jiǎng)莺蜐B氮溫度的周期變化,給原子滲氮提供較大驅(qū)動(dòng)力。
通過調(diào)整優(yōu)化滲氮工藝參數(shù),形成滲氮層中各種有利于氮原子的擴(kuò)散通道,提高氮在滲氮層中的擴(kuò)散速度。
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Study of High Efficient Screw Nitriding Technology
WANG Chun-tao1, HE Xiao-feng2
(1. College of Ship and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022;2. Zhejiang Jinhai Plastic Machinery LTD CO., Zhoushan 316000,china)
The nitriding treatment of screw made of 38CrMoAlA was used with two-stage three-cycle method. after 35h treatment, the nitriding layer depth of the screw was more than 0.5 mm, surface hardness was more than HV900, and surface nitriding brittleness was first class. The result shows that the two-stage three-cycle method can reduce nitriding time 40% than two-stage method for the screw nitriding.
screw; two-stage three-cycle method; 38CrMoAlA; gas nitriding
TG156.8+2
A
1008-830X(2014)06-0531-03
2014-08-10
舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012C21017)
王春濤(1965-), 男, 浙江定海人, 教授, 研究方向:金屬材料熱處理. E-mail:chuntaow@163.com