柱塞滲氮工藝的確定

張宇慶

遼寧省撫順市撫東機械廠 遼寧撫順 113105

1 序言

鋼鐵零件在活性氮介質中，一定溫度和保溫時間下，使其表面滲入氮元素的工藝過程，叫做滲氮。滲氮和滲碳雖然都是強化零件表面的化學熱處理，但它們有顯著的差別。

滲氮與滲碳相比有如下優(yōu)點：

1）滲氮表面具有高硬度和高耐磨性。

2）具有高的殘余壓應力。

3）滲氮工藝溫度低，工件變形小。

4）具有良好的抗蝕能力。

由于滲氮具有上述特點，因此得到了廣泛應用。本文論述的柱塞（見圖1）就是要求高硬度、高耐磨性及高尺寸穩(wěn)定性的一種零件。

圖1 柱塞

柱塞是某機構中的關鍵部件，產品在加工過程中，熱處理工藝方案的選擇直接影響產品的熱處理質量，而熱處理質量的好壞，也影響了機構運行狀況的穩(wěn)定性，最終會影響運行系統(tǒng)的使用壽命。

2 問題的提出

柱塞部件材料為38CrMoAlA鋼，其化學成分見表1[1]。

表1 38CrMoAlA鋼化學成分（質量分數(shù)）（%）

該零件要求進行滲氮處理，硬度≥700HV，滲氮層深度0.3～0.6mm。在生產過程中，滲氮層深度設定在0.4～0.6mm。那么，如何制定工藝參數(shù)才能保證達到圖樣要求，尤為重要。

3 熱處理方案

根據(jù)零件材料，滲氮工藝初步確定選用二段氣體滲氮法：即零件隨爐緩慢升溫，在200℃保溫2h，然后升溫至525℃，保溫18～25h，緩慢升溫至540℃，保溫22～30h，再隨爐緩慢升溫至560℃，保溫3～4h進行退氮處理，最后隨爐冷卻至＜200℃出爐空冷。爐溫降至200℃時，關閉氨氣的進氣閥門，打開氮氣的進氣閥門。

根據(jù)零件的技術要求及生產實際，采用的設備為RN-75-6氣體滲氮爐。

（1）加熱溫度 加熱溫度分別設定為525℃、540℃、560℃，理由是確定滲氮溫度時，應綜合考慮溫度對滲氮層表面硬度、滲層深度及變形量的影響，同時還要考慮不影響零件心部的力學性能，滲氮溫度必須低于調質回火溫度。若滲氮溫度過低，滲氮速度慢，為了達到一定的滲氮深度則需延長保溫時間，同時導致零件表面不能吸收足夠的活性氮原子，硬度不高，故滲氮溫度選擇在500～560℃。

（2）加熱方式 選擇隨爐溫加熱，加熱介質選擇氮氣。

（3）保溫時間 保溫時間分別選擇18～25h、22～30h、3～4h，理由是滲氮溫度一定時，滲氮保溫時間的確定主要取決于所要求的滲氮層深度。隨著滲氮時間的延長，滲氮層的深度不斷增加并呈拋物線規(guī)律變化，即開始增加的速度快，隨著時間的延長，滲氮層深度增加得越來越慢，過長的滲氮時間對提高滲氮層深度效果并不明顯。因此，在較低的滲氮溫度下，要想得到較深的滲氮層是不可能的，只有提高滲氮溫度，才能得到較深的滲氮層。滲氮保溫時間是一個受多種因素影響的工藝參數(shù)，一般要通過生產實踐摸索，才能正確地確定。根據(jù)經驗表明，當滲氮層深度＜0.4mm時，平均滲氮速度為0.015～0.02mm/h；當滲氮層深度在0.4～0.7mm時，平均滲氮速度為0.005～0.015mm/h；滲層越深，滲速越慢[2]。

（4）氨分解率 氨分解率分別選擇18%～35%、45%～65%、≥75%，理由是氨分解率高低直接影響著零件表面吸收氮的速度。分解率過高，爐氣中氮和氫所占的體積大，零件表面吸附大量的氫，將妨礙零件表面對氮的吸收，使表面氮濃度降低，滲氮層硬度及深度減小；如果分解率過低，大量的氨來不及分解，提供的活性氮原子太少，也會降低滲氮速度[3]。

因此，為了使?jié)B氮層的硬度梯度變得盡可能平緩，應增加滲氮層的深度，在滲氮前期，用較低的氨分解率（18%～35%）。此時零件表面迅速吸收了大量的氮原子，提高了零件滲氮表面的氮濃度，從而形成了彌散度大的滲氮物，以提高零件表面的硬度；滲氮的第二階段可提高氨分解率（45%～65%），使爐氣中活性氮原子得到稀釋，表層的氮濃度不至于進一步提高，而且還使氮原子不斷地向內層擴散，增加了滲氮層的厚度。

為了降低滲氮層的脆性，在滲氮結束前，將爐溫升至560～570℃、保溫3～4h進行退氮處理，使氮原子能夠繼續(xù)向內層擴散，以降低表面的氮濃度。此時可將氨分解率控制在75%以上。滲氮溫度和氨分解率的合適范圍見表2。

表2 滲氮溫度和氨分解率的合適范圍

（5）冷卻方式 選擇爐冷至＜200℃出爐空冷。隨爐降溫階段，仍然需要繼續(xù)供給氨氣，并保持滲氮爐內有一定的正壓，防止空氣進入使零件表面產生氧化。

（6）冷卻介質 選擇氮氣、空氣。

（7）熱處理后的檢驗方式 檢驗的項目主要是滲氮層深度、化合物層和擴散層，檢驗方法分為金相法、硬度法和斷口法。我們選用的是金相法，并按GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的規(guī)定內容進行了檢驗。

滲氮層硬度的檢驗：由于滲氮層薄且硬度高，因此對表面硬度的檢驗一般采用維氏硬度計。

滲氮層脆性檢驗：按維氏硬度壓痕邊角碎裂程度分為5級。應在隨爐試樣表面進行檢驗，按GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中重要零件≤3級的規(guī)定進行檢驗。

4 工藝曲線

通過生產實際，重新調整了滲氮工藝參數(shù)，制定了新的滲氮工藝，如圖2所示。按照設定后的工藝參數(shù)進行了生產，零件的各項指標均能滿足圖樣要求。

圖2 滲氮工藝曲線

在操作中還需要注意：

1）零件不需要滲氮的部位應進行防護，表面鍍錫是一項很好的防護措施。錫不溶解氮原子，錫的熔點低（232℃），在滲氮溫度下，錫層雖然會熔化，但錫依靠表面張力的作用，可在零件表面形成一層薄的保護膜，吸附于零件表面上，故鍍錫層能防止氮原子滲入。通過生產實際證明，鍍錫層控制在0.004～0.008mm為宜[4]。鍍錫層若＜0.004mm，防護層不起作用；鍍錫層若＞0.008mm，錫容易流淌到需滲氮的零件表面上，使零件滲氮表面產生軟點。

2）零件裝爐前，應仔細清理表面（用汽油或酒精進行擦拭），保證零件表面無氧化皮、油脂及其他污物，以免影響滲氮質量；滲氮過程要嚴格執(zhí)行安全守則。尤其注意：通氮后爐內空氣未排凈前不得點火，否則極易引起爆炸。

3）根據(jù)零件的形狀選擇合理的工裝夾具，工裝與綁扎零件的鍍鋅鐵絲必須無銹、無油，鍍鋅鐵絲的鋅層用酸洗或用800℃燒除掉。綁扎零件時，零件之間要留出足夠的空間，保證爐內氣氛的暢通。

5 熱處理工藝效果

通過對滲氮溫度、保溫時間、氨分解率的分析，確定了滲氮工藝參數(shù)，并運用到實際生產中，摸索出了滲氮工藝的最佳參數(shù)。產品試樣經過金相檢驗，滲氮物組織級別完全符合GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的要求，能夠達到二級，脆性檢驗1級，零件的滲氮硬度控制在780～840HV，滲氮層深度0.45mm，完全符合圖樣中的技術要求，如圖3～圖5所示。

圖3 脈狀滲氮物組織

圖4 滲氮層深度

圖5 脆性檢驗

6 結束語

在滲氮生產過程中，熱處理技術人員制定工藝后，還要深入到生產現(xiàn)場實時監(jiān)控。同時，要求操作人員嚴格控制設備的滲氮溫度、氨分解率等工藝參數(shù)，并根據(jù)生產的實際情況，適時調整各項工藝參數(shù)，保證滲氮工藝的正常運行。熱處理技術員只有掌握了生產實際情況，才能編制合理、實用的滲氮工藝規(guī)程。