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        淺談愛協(xié)林連續(xù)爐曲軸氣體軟氮化

        2014-10-08 11:38:44劉久成
        金屬加工(熱加工) 2014年13期
        關(guān)鍵詞:滲層氮化曲軸

        劉久成

        為提高曲軸的疲勞強(qiáng)度,許多曲軸生產(chǎn)廠采用了氣體軟氮化技術(shù),其中采用這項(xiàng)技術(shù)以山東曲軸總廠、濰坊柴油機(jī)廠、重汽集團(tuán)復(fù)強(qiáng)動力公司等為典型代表。僅山東曲軸總廠,就擁有愛協(xié)林公司生產(chǎn)的連續(xù)軟氮化生產(chǎn)設(shè)備及5-2型氣體軟氮化設(shè)備10多臺,濰坊柴油機(jī)廠以高強(qiáng)的品質(zhì)保障已經(jīng)躍居同行業(yè)之首,其軟氮化設(shè)備也以愛協(xié)林連續(xù)軟氮化設(shè)備為主。而重汽集團(tuán)復(fù)強(qiáng)動力公司也以采用了愛協(xié)林連續(xù)軟氮化爐而著名。其設(shè)備能力達(dá)到技術(shù)國內(nèi)最先進(jìn)、功率最大、裝爐量最多,同時比同行業(yè)設(shè)備更具有節(jié)能環(huán)保效應(yīng)。下面僅根據(jù)在上述廠家所做的曲軸氣體軟氮化工藝試驗(yàn)談?wù)勼w會,供業(yè)界同行們參考。

        一、氣體軟氮化簡介

        為了縮短氮化周期,并使氮化工藝不受鋼種的限制,近年間在原滲氮工藝基礎(chǔ)上發(fā)展了氣體軟氮化和離子軟氮化兩種新軟氮化工藝。

        1.軟氮化原理

        軟氮化實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲,鋼在氮原子滲入的同時,還有少量的碳原子滲入,其處理結(jié)果與一般氣體滲氮相比,滲層硬度較滲氮法低,脆性較小,故稱為軟氮化。

        2.軟氮化方法

        軟氮化分為氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類。目前國內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性氮、碳原子的氣氛中進(jìn)行低溫氮碳共滲,常用的共滲介質(zhì)有尿素、甲酰胺、氨氣和三乙醇胺,它們在軟氮化溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng),產(chǎn)生活性氮、碳原子并被工件表面吸收,通過擴(kuò)散滲入工件表層,從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。

        二、曲軸氣體軟氮化工藝過程

        國內(nèi)生產(chǎn)曲軸采用的典型材料為45鋼和42CrMoA。

        曲軸氣體軟氮化與處理其他軟氮化零件相類似,其工藝過程一般要經(jīng)過前清洗、升溫、保溫、冷卻、后清洗等5個階段,包括出裝爐。不同的廠家在氣體軟氮化工藝上略有不同。

        1.前清洗工藝

        待處理零件裝爐前應(yīng)通過清洗使零件表面清潔無油,目前采用的清洗方法主要有下列方法:高溫蒸汽加清洗劑洗滌,然后高溫蒸汽漂洗滌;自動清洗機(jī)清洗;汽油擦洗。

        清洗的好壞將直接影響曲軸的處理質(zhì)量和處理周期。如果曲軸表面臟,處理后的曲軸表面附著很多炭黑,既影響產(chǎn)品外觀又影響產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)改進(jìn)清洗工藝后,處理質(zhì)量大大提高。據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看,表面清潔易形成連續(xù)厚度較為均勻的化合物層,反之則不易形成連續(xù)和厚度均勻的化合物層。而在氣體軟氮化時化合物層對硬度、耐磨性及抗疲勞性能有較大貢獻(xiàn)。本文的第三種方法是在生產(chǎn)條件不具備時的變通方法,僅適用于小規(guī)模清洗。而愛協(xié)林公司生產(chǎn)的設(shè)備則以其獨(dú)特的專利發(fā)明“真空清洗”為主,其清洗時間短,效果非常理想,已達(dá)同行業(yè)清洗效果之首,而且真空度近乎完美,其抽真空采用循環(huán)水,近乎零廢水。其開關(guān)門采用壓縮空氣控制,更具有節(jié)能環(huán)保效果。

        2.預(yù)氧化工藝

        為保證零件性能的綜合要求,在氣體軟氮化之前一般還需要進(jìn)行預(yù)備熱處理,氣體軟氮化的預(yù)熱溫度一般取400~490℃,保溫1h左右,去除工件表面油污、油脂,并在表面形成一層氧化物,使(合金)氮化物緩慢形成,使?jié)B層更加均勻。根據(jù)零件易變形程度,選擇適當(dāng)?shù)纳郎厮俣炔?yīng)在預(yù)備熱處理使組織充分均勻化。愛協(xié)林連續(xù)軟氮化預(yù)氧化爐裝爐量大,設(shè)備結(jié)構(gòu)直觀明了,外表美觀,爐內(nèi)加熱溫度均勻,且控制精度高。

        3.軟氮化工藝

        氣體軟氮化工藝參數(shù)一般為:平均升溫速度100℃/h;保溫溫度為540~570℃;保溫時間為3~4h。

        (1)軟氮化溫度的選擇范圍及控制 對于碳鋼或鑄鐵或低合金鋼,人們常采用氣體軟氮化(低溫氮碳共滲)技術(shù)。大量的實(shí)踐表明:氮化層的硬度和滲層與溫度、時間、濃度有極值關(guān)系。在鐵氮碳三元相圖中,同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)略有降低,其等溫截面約降至575℃。當(dāng)溫度高于575℃時,隨著溫度的升高,滲層和硬度迅速下降,高于600℃時,滲層幾乎完全消失。為取得較好的氮碳共滲效果,氣體軟氮化的控制溫度一般取570℃(高于三元共析點(diǎn))。表層中形成含氮奧氏體,快冷時形成含氮馬氏體,使表面形成高硬度,因此軟氮化易采用快冷。軟氮化前期(約3h)屬強(qiáng)滲階段,在表層形成高氮勢相ε,提高滲速,而后進(jìn)入擴(kuò)散階段,降低表面氮含量,減小脆性。愛協(xié)林溫控裝置均采用國際最先進(jìn)的自動控制裝置,其爐溫均勻度強(qiáng),控制精度高,一般穩(wěn)定精度可控制在溫差1℃左右,大大提高了軟氮化工藝效果。

        (2)軟氮化工藝氣體比例流量 強(qiáng)滲時NH3、CO2、N2的比例一般為55:5:40,通氣量一般為爐膛體積的1.5~2倍。適當(dāng)提高NH3含量,可以加大滲層深度;適當(dāng)提高CO2含量,可以提高工件表面硬度(若采用HV10測量,則對表面硬度影響的因素是軟氮化前基體硬度,擴(kuò)散層深度,白亮層硬度。45鋼要求軟氮化前基體硬度應(yīng)>200HBW)。擴(kuò)散時NH3、CO2、N2的比例一般為40:5:55,通氣量一般為爐膛體積的1~1.5倍。

        爐內(nèi)氫含量:強(qiáng)滲區(qū)氫含量10%~18%以上(新爐氫含量偏低);擴(kuò)散區(qū)氫含量8%~13%以上(新爐氫含量偏低)。

        烘爐工藝:每次新起爐裝工件之前應(yīng)進(jìn)行空滲,空滲時間6~12h,氫含量達(dá)到10%以上。新爐子連續(xù)使用一段時間(3個月)后,應(yīng)進(jìn)行空滲。溫度600℃保溫12h以上,只通少量氮?dú)?,維持爐壓即可(240~300Pa)獲得最佳的硬度和滲層。

        4.軟氮化后冷卻工藝

        為使曲軸有較好的氮碳共滲效果,氣體軟氮化的控制溫度一般取570℃(高于三元共析點(diǎn))表層中形成含氮奧氏體,軟氮化后快冷時形成含氮馬氏體,使表面迅速形成高硬度,所以軟氮化后易采用快冷。愛協(xié)林連續(xù)軟氮化冷卻采用油冷卻,其設(shè)備采用完全自動控制,由推料機(jī)構(gòu)直接從軟氮化爐體內(nèi)推到油冷升降臺上,自動降到油槽冷卻。冷卻采用雙攪拌冷卻,一般快攪取5~6min、1300r/min。慢攪取10min左右、750r/min。淋油取5min左右。冷卻后一般曲軸都會大小產(chǎn)生變形,關(guān)于變形只要時效處理好(2~4h),均勻升溫就可保證變形較小,濰坊柴油機(jī)廠在軟氮化曲軸軸向圓跳動控制方面做的就比較好。

        5.軟氮化后清洗工藝

        處理后零件應(yīng)通過清洗使零件表面清潔無油,目前采用的主要清洗方法有:高溫蒸汽加清洗劑洗滌,然后加高溫蒸汽漂洗滌;自動清洗機(jī)清洗;汽油擦洗。

        愛協(xié)林后清洗設(shè)備為完全自動清洗裝置,清水或堿水清洗溫度一般取60~70℃。其設(shè)備分3個區(qū),即堿水區(qū)、清水區(qū)和烘干區(qū)。其清洗自動化程度高,清洗效率高,清洗效果好。

        三、實(shí)例示意

        爐子構(gòu)造及控制面板見圖1。工藝參數(shù)設(shè)置見附表。試驗(yàn)試塊金相組織見圖2。

        615/67軸檢驗(yàn)結(jié)果:連續(xù)爐WD615/67,白亮層深度0.026mm,滲層硬度335HV10,疏松等級1級,脆性1級,氮化物形態(tài)1級。

        圖1

        圖2

        工藝參數(shù)設(shè)置表

        615/68軸檢驗(yàn)結(jié)果:連續(xù)爐WD615/68:白亮層深度0.024mm,滲層硬度468HV10,疏松等級1級,脆性1級,氮化物形態(tài)2級。

        四、結(jié)語

        曲軸產(chǎn)品采用氣體軟氮化工藝,在技術(shù)上是比較先進(jìn)的,軟氮化質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)的軟氮化技術(shù),在設(shè)備使用過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題也較易得到解釋和解決。20140416

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