1.渗氮工艺方法及参数选择
渗氮工艺主要分成三种:一段渗氮法、二段渗氮法和三段渗氮法。其中,二段渗氮法可获得较高的渗氮层硬度,又可适当缩短渗氮周期,所以上述的旋转子可采用二段渗氮法。
渗氮温度、保温时间和氨分解率是渗氮过程中极其重要的三个工艺参数。
(1)渗氮温度渗氮温度对渗层表面最高硬度、渗层深度和变形有着很大的影响。渗层的硬度随着氮化物的增加而升高。渗氮温度在480~520℃时,氮化物聚集不显著,弥散度大,渗层的硬度最高。超过580℃以后,氮化物聚集长大,弥散度显著降低,渗层表面硬度也明显下降。
随着渗氮温度升高,氮原子的扩散速度显著增大,同时也加快了渗层对活性氮原子的吸收过程,因此渗层深度增加。但温度过高,会使变形增大,心部强度下降。
渗氮温度常在480~560℃范围内选择。为了不影响工件调质后的心部强度,渗氮温度一般比调质时的回火温度低40~70℃。所以,针对本训练处理的旋转子,它所选用的材料为38CrMoAl,其心部硬度要求为30~38HRC,所以它的最佳渗氮温度定为535℃±5℃,扩散阶段的温度定为550℃±10℃。
(2)保温时间渗氮时,保温时间决定氮原子的渗入深度。随着渗氮时间的延长,渗氮层深度不断增加,并呈抛物线规律变化。即开始增加速度快,随着时间延长,渗层深度增加得越来越慢。温度不同,渗层深度增加的速度也不同,温度越低,增加的速度越慢。因此,在较低的渗氮温度下(如500℃),要想获得较深的渗层是不可能的。只有提高渗氮温度,才能获得较深的渗层。
本训练的渗氮层深度要求0.30~0.45mm,所以,根据上面确定的渗氮温度,可以确定渗氮阶段的保温时间为25~30h,扩散阶段的保温时间为5~6h。
(3)氨分解率氨分解率是指在某一温度下,分解出来的氮和氢的混合气体占炉气总体积的百分比,即
对于一定的渗氮温度,氨的分解率有一个合适范围。若氨分解率过低,大量的氨气来不及分解,提供活性氮原子机率小,不仅渗氮速度低,而且还容易造成浪费。若氨分解率过高,炉气中几乎全部由分子态的N
2和H
2组成,所提供的活性氮原子也极少,与此同时,大量的H
2分子吸附在工件表面也阻碍了氮的渗入。表5-5为渗氮温度与氨分解率的对应关系。
表5-5 渗氮温度与氨分解率的对应关系
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渗氮温度/℃ |
500 |
510 |
525 |
540 |
600 |
氨分解率(体积分数,%) |
15~25 |
20~30 |
25~35 |
35~50 |
45~60 |
根据本训练采用的渗氮温度和扩散温度,在渗氮阶段可采用25%~40%的氨分解率,在扩散阶段可采用60%~80%的氨分解率。
2.渗氮前的准备工作
(1)氨气瓶的安装和运输 气体渗氮所使用的渗氮剂为氨气,这种气体用几个大气压的压力使其以液态氨的形式储藏在耐压钢瓶或钢罐中。按照国家标准的规定,盛装液态氨的钢瓶或钢罐应漆成黄色。装有液态氨的钢瓶,当温度超过60℃时就有爆炸的危险,因此不能让氨气瓶靠近热源,也不能置于太阳下曝晒。在搬动时,还要注意避免剧烈撞击或振动。
(2)渗氮箱和夹具的通氮处理 渗氮时采用的渗氮箱和夹具均能促进氨气分解,因而是一种催化剂,它们的含氮量越高,催化作用越强。所以,用过多次的渗氮箱和夹具,因催化作用增大,使氨分解率变得难以控制而需进行退氮处理。退氮时,可将夹具放入渗氮箱内装入电阻炉,把炉温升高至800℃,保温一段时间后缓冷即可。
(3)渗氮前工件的准备工作 渗氮处理通常是工件制造过程中的最后一道工序,工件在渗氮前应进行调质处理,即淬火+高温回火处理,对于旋转子也是一样的,在渗氮工序前应将其整体硬度经调质处理至30~38HRC。
另外,需经渗氮处理的工件表面必须十分清洁,不能有任何油污和锈斑,否则将使渗氮层达不到预期的目的。工件清洁的方法是在质量分数为10%的碳酸钠沸腾溶液中煮8~10min,然后在清水中进行洗涤即可。若发现工件表面有锈和其他污物时,可用零号砂布细心进行打磨干净。
3.渗氮工艺过程的操作
(1)渗氮炉和氨分解率测定仪的使用 在热处理生产中,常将渗氮箱放入箱式电阻炉进行渗氮,渗氮箱的体积较小,便于控制箱内的渗氮温度,其保证精度应达到±5℃。
氨气作为渗氮剂是从氨气钢瓶中出来,经减压阀、干燥箱和流量计进入渗氮箱的。渗氮箱排出的炉气,经氨分解率测定仪、水柱压力计通入水中排放。渗氮箱与整个管路连接应保证密封性,能经受1960Pa的正压力而不漏气。简便的检漏方法,是用浸过盐酸的纸去接近各个接头,如不产生白烟,就可确认没有泄漏。
氨气流量大多采用浮子流量汁进行测量。其流量大小,可通过浮子上沿所对刻度值直接读出,调节流量控制阀门可改变氨气供应量。
氨分解率测定仪如图5-8所示。使用时,先打开三通阀和二通阀,让炉充满刻度管,然后关闭二通阀,将三通阀转到盛水器接通位置,让水注入刻度管内,待水停止注入后,水面所对刻度值就是测量的氨分解率。
(2)渗氮工艺操作工件(旋转子)于室温下装炉后,按以下程序进行操作:
1)首先向渗氮箱内通入氨气.以驱除箱内的空气,然后让炉子缓慢升温,并逐步增大氨气流量,使渗氮箱内始终保持正压力。
2)当炉温升至535℃±5℃后,炉内压力应保持在(78~196)×10Pa,氨分解率控制在25%~40%之间,并开始计算渗氮时间。当氨分解率偏高(或偏低)时,可通过增大(减少)氨流量来进行调整,炉内的压力值用水柱压力计测量。
3)渗氮阶段结束后,将炉温升至550℃±10℃进行扩散,此阶段将氨分解调节成60%~80%。
4)扩散阶段结束后,关闭电源,使工件和渗氮箱随炉子降至200℃以下即可出炉,在此期间,应保证渗氮箱内的正压,以防止工件表面产生氧化。
5)工件出炉时,应先切断电源,关紧氨气钢瓶的阀门。出炉的工件应悬挂在铁架上,冷至室温后需戴上清洁手套方可进行卸夹。
4.渗氮后的质量检验
渗氮件的质量检验,包括渗氮层金相组织、渗氮层深度、表面硬度、渗层脆性等。
(1)渗氮层金相组织检查 渗氮后金相组织的检验,包括两部分内容:一是渗氮层的显微组织;二是非渗氮面的心部组织。可按照《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》标准规定的检验方法,判定零件组织级别,并根据标准规定或技术要求判断金相组织是否合格。
(2)渗氮层深度检查 渗氮层由化合物层和渗氮扩散层所组成,两者厚度之和为渗氮层深度。渗氮层深度检查,一般分为化学侵蚀法和显微硬度法。化学侵蚀法,是利用渗氮层的组织与心部组织不同,经化学腐蚀后,在显微镜下可明显地看出其分界线,并能分辨出扩散层。显微硬度法,是从零件表面开始,每隔一定的间距,沿着试样的垂直方向测量显微硬度,测至比基体硬度高30~50HV处的距离作为渗氮层深度。显微硬度法测量值比较准确,但操作较复杂。当对渗氮层深度有争议时,则应用显微硬度法来仲裁。
(3)表面硬度检查 由于渗氮层较薄,一般只能用维氏硬度计来测量其硬度。渗氮后的心部硬度可用洛氏硬度计检查。
(4)渗氮层脆性检查 经气体渗氮处理的工件,尤其是含铝的渗氮钢,其渗氮层常会产生脆性,可直接用维氏硬度计的压痕形状进行评定。渗氮层的脆性等级按GB/T 11354—1989执行,一般Ⅰ、Ⅱ级是合格的,Ⅲ、Ⅳ级是不合格的。脆性等级的检验是渗氮工件的重要检测指标。