王永協(xié)

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450000)

PIP處理全稱是離子滲入技術(shù)，是一種復(fù)合處理技術(shù)，國際上把這項(xiàng)技術(shù)稱為冶金學(xué)領(lǐng)域內(nèi)革命性新技術(shù)[1-2]。在產(chǎn)品工藝上，運(yùn)用多種方法，將非金屬元素和微量元素滲入到金屬表面，形成由金屬氧化物和非金屬元素組成的多層復(fù)合滲層，從而使產(chǎn)品整體內(nèi)外同時(shí)形成防腐耐磨層，完成與金屬表面融合一起，而且滲層厚度已做到可控[3-4]。該技術(shù)可以提高零部件的耐磨性能、耐蝕性能和耐疲勞性能，并且工藝過程節(jié)能環(huán)保[5]。

貯存架導(dǎo)軌材料是Q345B結(jié)構(gòu)鋼，屬于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件，PIP處理主要用于加工處理液壓活塞桿、各類軸、螺栓、汽車零部件、機(jī)車零部件等產(chǎn)品，因?yàn)镻IP處理的過程溫度要到500 ℃左右，所以在PIP處理前、后導(dǎo)軌焊接結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生變形。導(dǎo)軌機(jī)械加工尺寸要求比較嚴(yán)格，精度高，導(dǎo)軌變形會(huì)造成尺寸超差不合格現(xiàn)象。因?yàn)镻IP處理是新工藝，找到最優(yōu)的工藝參數(shù)是解決此類問題的關(guān)鍵。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，201901批次數(shù)量共24件，貯存架導(dǎo)軌一次加工合格率僅為62.5%。貯存架導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示。

圖1 右中導(dǎo)軌零件圖

貯存架導(dǎo)軌設(shè)計(jì)尺寸圖如圖2。導(dǎo)軌是由左軌道、中間連接板、右軌道焊接的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尺寸及幾何公差要求精度高，加工難度大，連接板和側(cè)板厚度均為15 mm，很容易因變形而產(chǎn)生不合格的情況。

圖2 貯存架導(dǎo)軌尺寸

實(shí)際生產(chǎn)中，貯存架導(dǎo)軌采用的主要工藝路線為：焊接(左、右軌道和連接板)→粗加工→精加工→PIP處理。

對(duì)不合格的零件進(jìn)一步進(jìn)行分析，分析情況詳見表1。

表1 不合格零件類型統(tǒng)計(jì)表

從表1和圖2分析可知：開檔尺寸244±0.1超差導(dǎo)軌占不合格零件數(shù)量的66.7%，占201901批次零件總量的25%，側(cè)板基準(zhǔn)平面度0.05超差占不合格零件數(shù)量的55.6%，占201901批次零件總量的20.8%。

不合格根源如圖3所示。由圖3可知，側(cè)板基準(zhǔn)平面度0.05與開檔尺寸244±0.1超差是由于導(dǎo)軌變形引起的，因此，控制變形是解決此類問題的關(guān)鍵。

圖3 不合格根源

2 工藝試驗(yàn)

2.1 PIP處理工藝過程

可控離子滲入技術(shù)(PIP處理)是一種復(fù)合處理技術(shù)(新工藝)，其形成的復(fù)合滲層具有很高的硬度，PIP處理主要工藝過程如下：前清洗→預(yù)熱→離子滲入→離子強(qiáng)化→離子穩(wěn)定化→浸油。

生產(chǎn)時(shí)，PIP處理過程的可選擇參數(shù)如下：爐溫度范圍為420～660 ℃，控制時(shí)間為2～6 h，滲劑配方濃度為30%～40%。其中，滲劑濃度是N、C、O、稀土等配方在液體中的百分占比。

2.2 硬度檢測

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，滿足圖樣要求的表層硬度達(dá)到550 HV，且尺寸合格。

抽201901批貯存架導(dǎo)軌4件做PIP處理進(jìn)行工藝驗(yàn)證，通過驗(yàn)證結(jié)果分析，摸索復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的PIP處理效果，工藝驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)比表情況見表2。

表2 PIP處理工藝參數(shù)對(duì)形變、硬度的影響

可以看出開檔尺寸244±0.1發(fā)生明顯變化且不同溫度下的變化量不同，另外，滲層表面硬度也不一致。

3 工藝參數(shù)試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法是一種研究多因素、多水平的設(shè)計(jì)方法，具有高效、快速、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。通過正交試驗(yàn)表來設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和分析結(jié)果，能夠在較多的試驗(yàn)條件中選出幾個(gè)代表性強(qiáng)的試驗(yàn)條件，找出最優(yōu)工藝方案[6-7]。針對(duì)PIP處理工藝參數(shù)不合理的問題，小組成員采用正交試驗(yàn)法對(duì)溫度、保溫時(shí)間、滲劑濃度3個(gè)因素進(jìn)行分析。

制定因素位級(jí)表，在其他因素均不變的情況下，對(duì)溫度、保溫時(shí)間、滲劑濃度3個(gè)因素，分別選取3個(gè)位級(jí)(見表3)，考察指標(biāo)為表面硬度和變形量。

表3 因素位級(jí)表

采用9行3列3位級(jí)正交表L9(33)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)表

表4中，Ⅰ=位級(jí)1三次試驗(yàn)表面硬度之和，Ⅱ=位級(jí)2三次試驗(yàn)表面硬度之和，Ⅲ=位級(jí)3三次試驗(yàn)表面硬度之和，極差R1=大數(shù)-小數(shù)；Ⅳ=位級(jí)1三次試驗(yàn)變形量之和，Ⅴ=位級(jí)2三次試驗(yàn)變形量之和，Ⅵ=位級(jí)3三次試驗(yàn)變形量之和，極差R2=大數(shù)-小數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

溫度、保溫時(shí)間、滲劑濃度與表面硬度的趨勢圖如圖4所示。溫度、保溫時(shí)間、滲劑濃度與開檔尺寸變形量的趨勢圖如圖5所示。

圖4 溫度、保溫時(shí)間、滲劑濃度與表面硬度的趨勢圖

圖5 溫度、保溫時(shí)間、滲劑濃度與開檔尺寸變形量的趨勢圖

從表4可以看出，第1號(hào)條件的變形量最小，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)變形量較小，9號(hào)的表面硬度最高。從極差R值分析來看，各因素對(duì)表面硬度、變形量的影響程度為：溫度>保溫時(shí)間>滲劑濃度，從趨勢圖看，溫度趨勢變化最大，保溫時(shí)間次之，滲劑濃度的變化趨勢最小。

為了綜合確定最佳的PIP技術(shù)參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(表面硬度和變形量)進(jìn)行了權(quán)重分配(根據(jù)實(shí)際情況和加工經(jīng)驗(yàn)確定)和分級(jí)評(píng)分，詳見表5。

表5 權(quán)重分配和分級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表

結(jié)合表5，對(duì)1～9號(hào)條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 試驗(yàn)結(jié)果分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表

從表6可知，3號(hào)和4號(hào)條件的得分最高，考慮4號(hào)用時(shí)最短，效率最高，故4號(hào)條件為最佳選擇，即：溫度為500 ℃，保溫時(shí)間為3 h，濃度為35%。在PIP技術(shù)處理中以4號(hào)條件為PIP技術(shù)參數(shù)。

4 分析與討論

按照對(duì)策評(píng)估后的PIP處理指導(dǎo)工藝參數(shù)，確定溫度為500 ℃、保溫時(shí)間為3 h、濃度為35%時(shí)對(duì)6件導(dǎo)軌進(jìn)行PIP處理，加工前后工件對(duì)開檔尺寸244±0.1進(jìn)行測量，同時(shí)，對(duì)隨爐樣件進(jìn)行檢測表面硬度，表7是試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。第三方對(duì)隨爐樣件檢測結(jié)果如圖6所示。

表7 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表7測量結(jié)果和隨爐樣件檢測報(bào)告可知，PIP處理結(jié)果，PIP處理前、后開檔尺寸244±0.1變化≤±0.05，且硬度值符合圖樣設(shè)計(jì)要求，試件全部合格，驗(yàn)證了PIP處理工藝參數(shù)的正確性。

圖6 第三方對(duì)隨爐樣件檢測結(jié)果

后續(xù)加工的201902批次共計(jì)20件零件，其中1件由于開檔尺寸244±0.1超差報(bào)廢，其余的全部合格。該型貯存架導(dǎo)軌一次加工成品合格率低的問題得到了有效解決，合格率由62.5%提高到了95%以上。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件PIP處理變形量主要影響因素為溫度、保溫時(shí)間和滲劑濃度，溫度趨勢變化最大，保溫時(shí)間次之，滲劑濃度的變化趨勢最小。

2)貯存架導(dǎo)軌PIP處理時(shí)的最佳工藝參數(shù)：溫度為500 ℃，保溫時(shí)間為3 h，滲劑濃度為35%，在此工藝參數(shù)下可以有效控制焊接結(jié)構(gòu)件的變形量。