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離子滲氮工藝的應用及體會  2010/5/1 
 
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離子滲氮工藝的應用及體會  

上海熱處理廠有限公司 胡月娣 趙增爵 沈介國  

離子滲氮作為節能、省氣、少污染的先進熱處理工藝,具有滲氮質量高,滲氮速度快,工件畸變小的優勢,已逐步取代氣體滲氮成為生產實踐中最常用的工件表面強化方法之一。近年來,我司承接了許多各種材料,不同服役條件產品的離子滲氮試制任務,做了大量技術攻關試驗工作,通過調整工藝參數并在裝爐方式、工夾具、工藝操作等諸多環節上積累了不少生產實踐經驗,進一步擴大了離子滲氮工藝在各類機械零件上的應用。現將已完成的典型工件介紹如下: 

一、  局部滲氮的不銹鋼工件  

輝光放電的離子轟擊作用,能直接去除不銹鋼表面的鈍化膜,對需局部滲氮的不銹鋼工件可方便地用機械屏蔽方法解決。故需局部滲氮的不銹鋼汽車零件常用離子滲氮強化表面,材料有304316Cr13型等。 

例:某核電站控制閥零件,材料4202Cr13),滲氮技術條件:表面硬度>850HV1,硬化深度0.20-0.25mm,需局部防滲。(圖一.零件滲氮部分及防滲工裝示意圖)工件淬火后進行滲氮:離子滲氮后表面硬度980-1050HV1,硬化深度0.23-0.25mm(基體硬度30HRC),尺寸基本不變形。(原采用氣體滲氮尺寸脹大約0.02mm            

二、擴散層有硬度要求的滲氮件   

     我國現行的離子滲氮質量指標常用表面硬度和滲層深度兩項,而國際制造業根據工件服役時受力情況,往往對滲氮件增加滲層(擴散層)硬度指標,即要求滲氮層硬度梯度平緩,這對提高工件抗疲勞性能十分有利。離子滲氮層的硬度及硬度梯度取決于材料種類和不同的滲氮工藝,擴散層硬度指標的提出對離子滲氮技術提出了更高的要求,按常規的離子滲氮工藝生產很難達到質量指標。我們通過工藝試驗,不斷調整了滲氮溫度和時間等工藝參數,達到了質量控制目標。 

以下(1)是幾種有擴散層硬度要求零件滲氮后的測試結果。  

1 部分零件滲氮擴散層硬度測試結果  

序號

材料 

技術條件 

測試結果

316L

表面硬度 

900HV 

1000-1200HV1 

0.03mm處≥ 

650HV0.3 

850-1100HV0.3  

硬化層深度

0.10mm 

0.15mm  

H11

0.01inch 

 (0.0254mm) 

870HV0.1

980-1100HV0.1 

0.004inch 

(0.1016mm)  

776HV0.1 

780-850HV0.1

4150 

表面硬度

578HV

650-720HV0.3 

0.5mm 

441HV 

455-470HV0.1 

硬化層深度 

0.76mm 

0.76mm 

 三、大型薄壁件的離子滲氮   

離子滲氮處理時加熱溫度低,這對要求熱處理后變形要求高的工件非常有利。某加熱板工件,材料15CrMo,工件尺寸1820×1620×75,板上分布了許多大小不一的孔洞,滲氮時需將孔洞全堵上。由于工件尺寸大且截面厚薄不均勻,形狀又復雜,熱處理時極易變形。對此采取相應的措施: 

1.合理安排了冷熱加工工序:坯料→正火+高溫回火→切削、鉆孔、初磨→穩定化處理(580℃)→精磨→離子滲氮。 

2.離子滲氮時采用階梯升溫,減少電流密度升溫等措施。滲氮工藝曲線見圖2 

離子滲氮質量檢測結果見表2

                     

2  加熱板離子滲氮質量檢測結果

質量項目 

技術條件

檢測結果 

表面硬度(HRC 

62-70 

756HV(相當于62.5HRC) 

硬化層深度(mm

0.40 

0.48

 

 

 

 

 

      3加熱板離子滲氮硬度梯度曲線見圖(基體硬度185HV  

  經測量,離子滲氮后平板最大變形<0.15mm,無需后續機械加工,完全滿足了設計要求。 

 

 

 四、深層離子滲氮的動力設備件  

42CrMo輥端軸套(4)是軋機傳動軸零件,使用時要求具有較高的耐磨性和抗疲勞性能。軸套離子滲氮技術條件為內孔表面硬度>600HV,硬化深度>0.80mm。超常規的(0.20-0.50mm)的滲氮層深度要求與較高的表面硬度這對相互制約的質量指標是滲氮技術的控制難點。為此研制了相應的深層離子滲氮工藝并精心操作,完成了工藝過程,達到了技術指標。

 

  離子滲氮后的軸套零件內孔表面硬度達720HV,硬化層深度達0.86mm(基體硬度340HV,完全達到零件的設計要求。滲氮層硬度梯度曲線見圖5 

 

 

  深層離子滲氮技術在港口機械小針輪零件(材料42CrMo)上也得到過較好應用。

  深層離子滲氮工藝的開發成功為拓展離子滲氮在大型機械零件表面強化上的應用作了嘗試。 

 五、幾點體會  

1.離子滲氮工藝質量高。離子滲氮工件表面硬度高,硬度梯度平緩,滲層均勻,韌性好,工藝重復性好。通過使用脈沖電源替代直流電源加熱設備后,設備自動化程度大大提高,操作簡化,控制精度高,進一步保證了產品質量的穩定性。 

2.離子滲氮工藝的節能減耗優點體現在幾個方面:

      ⑴離子滲氮滲速快,處理時間短,耗能低,淺層滲氮優勢明顯,在深層滲氮時,即便滲氮時間與氣體滲氮相差不大,但耗電量和耗氣量明顯降低。 

      ⑵降低了零件制造加工成本。離子滲氮畸變小,粗糙度變化小,局部滲氮方法簡單,零件滲氮后無需機械加工。此外,由于工藝材料適用性廣,不僅適合合金結構鋼,工模具鋼,冷加工成型性、可焊性好的不銹鋼常用離子滲氮實現表面強化,且應用增長較快。同樣,Q23545等普通碳鋼也在離子滲氮工藝上得到較好應用。這也大大降低了熱處理能耗和加工成本。 

      ⑶作為一種新興的工藝方法,在使用推廣中也遇到了不少問題。離子滲氮技術不僅與設備性能及工藝有關,裝爐方式,工裝,工藝操作等均起重要影響。離子滲氮時,由于工件形狀,裝爐量等影響,滲氮爐設備熱電偶顯示溫度與實際工件溫度相差較大,工件實際滲氮溫度的控制很大程度上取決于操作者的實踐經驗。此外,對于不同材料,不同形狀工件的同爐混裝,生產中存在較大困難。另外,怎樣縮短深層滲氮的工藝時間,如何通過氣源的選擇,配比,控制滲氮層組織等問題都有待通過大量試驗解決。

 

 
 
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