淺談愛協(xié)林連續(xù)爐曲軸氣體軟氮化

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(dòng)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(tái)，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(dòng)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(guó)內(nèi)最先進(jìn)、功率最大、裝爐量最多，同時(shí)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(huì)，供業(yè)界同行們參考。

一、氣體軟氮化簡(jiǎn)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(shí)，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(guó)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?cè)谲浀瘻囟认掳l(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(guò)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(guò)程

國(guó)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(guò)程一般要經(jīng)過(guò)前清洗、升溫、保溫、冷卻、后清洗等5個(gè)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(guò)清洗使零件表面清潔無(wú)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(dòng)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(lái)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(shí)化合物層對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)間為3～4h。

（1）軟氮化溫度的選擇范圍及控制 對(duì)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(shí)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(shí)，隨著溫度的升高，滲層和硬度迅速下降，高于600℃時(shí)，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(shí)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?gòu)?qiáng)滲階段，在表層形成高氮?jiǎng)菹唳牛岣邼B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(guó)際最先進(jìn)的自動(dòng)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(shí)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(cè)量，則對(duì)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(shí)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(shí)間6～12h，氫含量達(dá)到10%以上。新爐子連續(xù)使用一段時(shí)間（3個(gè)月）后，應(yīng)進(jìn)行空滲。溫度600℃保溫12h以上，只通少量氮?dú)猓S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(shí)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(dòng)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(tái)上，自動(dòng)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(huì)大小產(chǎn)生變形，關(guān)于變形只要時(shí)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(dòng)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(guò)清洗使零件表面清潔無(wú)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(dòng)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(dòng)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(gè)區(qū)，即堿水區(qū)、清水區(qū)和烘干區(qū)。其清洗自動(dòng)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(jí)1級(jí)，脆性1級(jí)，氮化物形態(tài)1級(jí)。

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(jí)1級(jí)，脆性1級(jí)，氮化物形態(tài)2級(jí)。

四、結(jié)語(yǔ)

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(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題也較易得到解釋和解決。20140416