短應(yīng)力線軋機拉桿離子滲氮畸變控制

孫華雨， 趙玉霞， 李雙喜

(河南機電職業(yè)學(xué)院， 河南 鄭州 451191)

應(yīng)力線軋機因具有剛度大、精度高、質(zhì)量輕、易操作等優(yōu)點而被當(dāng)今鋼鐵行業(yè)廣泛使用，拉緊螺桿(拉桿)是其關(guān)鍵部件之一[1-2]。拉桿的主要作用是通過螺紋機構(gòu)的調(diào)整間接帶動軋輥進(jìn)行調(diào)隙，也就是說，拉桿的螺紋旋轉(zhuǎn)精度決定了短應(yīng)力線軋機的軋制精度，故對拉桿的制造精度、表面熱處理和裝配質(zhì)量要求較高。拉桿材料一般采用中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的強韌性，再經(jīng)表面改性處理，達(dá)到耐磨、耐蝕的目的[3-5]。

離子滲氮是現(xiàn)在使用最廣泛的表面滲氮方式之一，和其他滲氮方式相比，具有滲速快、滲層性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，廣泛用于鋼鐵制品的表面改性，可以有效地提高工件表面的耐磨、耐蝕、疲勞等性能[6-8]。由于離子滲氮在較低溫度下進(jìn)行(450～580 ℃)，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，滲后畸變小，一般作為工件加工最后一道工序。由于滲氮后表面硬度很高，導(dǎo)致加工困難，所以一旦發(fā)生畸變超差，矯正十分困難，將大大降低產(chǎn)品質(zhì)量[9-11]。為了提高軋機的運行精度和平穩(wěn)性，圖紙技術(shù)要求拉桿材料為42CrMo4鋼，滲氮后沿長度方向直線度畸變≤0.100 mm，滲氮層深度≥0.4 mm，滲氮層表面硬度≥525 HV，拉桿具體尺寸見圖1。

圖1 拉桿直線度測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pull rod straightness test

影響滲氮畸變的因素很多，在不同形狀工件上其影響大小也不同；影響因素一般有：加工應(yīng)力、裝卡方式、爐內(nèi)擺放位置、工件形狀、升溫和降溫速度等[12-14]。此產(chǎn)品批量很大，為了弄清楚各因素對滲氮畸變的影響程度，以便尋找最佳的應(yīng)對措施，同時提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本，本文采用對各因素一一消除的形式對各影響因素進(jìn)行研究，也為所有長桿類工件滲氮畸變控制提供參考。

1 拉桿初次滲氮

拉桿采用42CrMo4中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，加工工序為鍛件—粗車—調(diào)質(zhì)—半精加工—精加工—離子滲氮。調(diào)質(zhì)工藝為870 ℃×3 h淬火，油冷，560 ℃×5 h，回火后空冷，調(diào)質(zhì)硬度為290～310 HBW。

把清洗干凈的拉桿立在鐘罩式單熱源離子滲氮爐陰極盤上，裝爐量為2根，為了方便比較拉桿滲氮前后畸變的變化量，滲氮前在機床上用杠桿百分表測試?yán)瓧U的直線度，即用機床的頂尖頂住拉桿兩端的頂尖孔，首先用百分表測量拉桿長度方向中間位置，轉(zhuǎn)動拉桿一周，以最低點作為基點，其所在長度方向的線作為基準(zhǔn)線，每旋轉(zhuǎn)90°記錄一個測試數(shù)據(jù)，在長度方向上選取6處作為測試點，具體測試方法見圖1。拉桿滲氮工藝為540 ℃×50 h，具體工藝曲線見圖2，滲劑為熱分解氨，升溫速度為100 ℃/h；為了保證螺紋處的滲氮質(zhì)量，采用了較大爐壓(255 Pa)。滲氮結(jié)束，關(guān)閉電源，拉桿隨爐冷卻至250 ℃以下，打開爐罩，空冷至室溫。取出試樣，根據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的硬度法測試隨爐試樣滲層深度和表面硬度。用與滲前一樣的方法對滲氮后拉桿的直線度進(jìn)行測量，具體測量結(jié)果見表1。試樣滲層深度測試結(jié)果為0.44～0.46 mm，滲層表面硬度654～673HV，滿足圖紙技術(shù)要求。

圖2 離子滲氮工藝曲線Fig.2 Process curve of the ion nitriding

由表1的測試結(jié)果可知，拉桿1在長度方向滲氮畸變最大彎曲度為0.310 mm，拉桿2最大畸變量為0.250 mm，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出圖紙要求的≤0.100 mm，需采取措施，減小滲氮畸變。

表1 拉桿立在陰極盤上離子滲氮后直線度的變化(mm)

2 改進(jìn)裝爐方式和減小升溫速度后滲氮

對于長桿狀工件，采用垂直吊掛的方式，利用工件自身質(zhì)量，可降低工件的滲氮畸變。在圖1中的左端中心加工M16吊裝孔，把拉桿垂直懸吊于離子滲氮爐內(nèi)，同時將升溫速度降低至60 ℃/h，其余不變，滲氮前后拉桿直線度測試見表2。

表2 垂直懸吊于爐內(nèi)且降低升溫速度后拉桿離子滲氮后直線度變化(mm)

由表2可以看出，滲氮后拉桿3長度方向直線度最大畸變量為0.21 mm，滲氮后拉桿4長度方向直線度最大畸變量為0.20 mm，比第一次滲氮畸變量有所減小，但仍未達(dá)到要求。由此可見，采用吊裝和降低升溫速度可以在一定程度上減小畸變，但效果有限，滲氮畸變量仍然不能滿足圖紙要求，影響畸變的主要因素仍然沒有消除。

3 去應(yīng)力退火后滲氮

結(jié)合前面兩次滲氮結(jié)果，對滲氮畸變產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為拉桿內(nèi)存在較大的加工應(yīng)力；當(dāng)拉桿溫度升高，使得基體強度降低，在內(nèi)應(yīng)力的作用下拉桿產(chǎn)生了畸變。為了在滲氮前去除加工應(yīng)力，拉桿加工工序改為：鍛件—粗車—調(diào)質(zhì)—半精加工—去應(yīng)力退火—精加工—離子滲氮。

在Ac1溫度以下，去應(yīng)力加熱溫度越高，加工應(yīng)力去除越徹底，但考慮到爐溫的不均勻性及爐溫誤差，去應(yīng)力加熱溫度要低于調(diào)質(zhì)回火溫度20 ℃，以免降低拉桿基體硬度[15]，所以去應(yīng)力退火工藝定為540 ℃×5 h，保溫結(jié)束后，隨爐緩冷至300 ℃，然后出爐空冷至室溫，再進(jìn)行精加工，精加工時進(jìn)刀量要盡量小，以免再次產(chǎn)生較大加工應(yīng)力，最后進(jìn)行離子滲氮；裝爐方式仍然采用吊裝，滲氮工藝及操作同第一次離子滲氮。用同樣的方法對滲氮前和滲氮后拉桿的直線度進(jìn)行測量，具體測量結(jié)果見表3。

表3 增加去應(yīng)力退火預(yù)處理后離子滲氮拉桿直線度的變化(mm)

由表3的測試結(jié)果可知，拉桿5和6直線度最大彎曲量均為0.07 mm，滿足了圖紙的要求，滲氮畸變得到很好控制，由此可見，加工應(yīng)力是影響滲氮畸變的主要因素。

試樣滲層深度測試結(jié)果為0.44～0.46 mm，滲層表面硬度為650～670 HV，滿足圖紙技術(shù)要求。

4 多次滲氮對拉桿滲氮畸變的影響及補救措施

4.1 拉桿多次短時滲氮

在生產(chǎn)中難免遇到臨時停電、設(shè)備故障等原因?qū)е聺B氮中途中止，此時滲層深度未達(dá)到圖紙要求，需繼續(xù)補滲。為了弄清重復(fù)加熱冷卻對滲氮畸變的影響，本次試驗拉桿狀態(tài)、裝卡方式、升溫速度等所有工藝參數(shù)及操作過程都與表3對應(yīng)的滲氮試驗一樣，只是把滲氮過程分為兩段，每段保溫25 h，具體工藝過程見圖3。拉桿滲氮前后沿長度方向直線度測量結(jié)果見表4。

圖3 兩次滲氮工藝曲線Fig.3 Twice nitriding process curve

表4 二次離子滲氮后拉桿直線度變化 (mm)

由表4的測試結(jié)果可知，拉桿7滲氮畸變最大彎曲度均為0.13 mm，拉桿8滲氮畸變最大彎曲度均為0.14 mm，超出圖紙要求0.02～0.04 mm，由此可見多次升溫、降溫對滲氮畸變也有較大影響；分析認(rèn)為原因是單熱源、鐘罩式離子滲氮爐爐內(nèi)存在溫度梯度。這種類型的滲氮爐為了保證爐內(nèi)真空度，在連接處都有橡皮墊圈，為了保護(hù)橡皮墊圈，在陰極盤、爐罩內(nèi)都通有冷卻水，爐內(nèi)輝光產(chǎn)生的熱量60%～70%都是通過冷卻水帶出爐外的，所以爐內(nèi)溫度具有上低下高，外低內(nèi)高的特性[16-17]。升溫階段是爐內(nèi)溫差最大階段，拉桿靠近爐中心的部分溫度比靠近爐邊緣的部分溫度高，在拉桿內(nèi)形成一定溫度差，由此產(chǎn)生了熱應(yīng)力，導(dǎo)致拉桿滲氮畸變增大。

4.2 補救措施

經(jīng)過對畸變增加原因分析，采取在第二次滲氮時，旋轉(zhuǎn)拉桿使拉桿在爐內(nèi)的內(nèi)外表面變換，即在用同上述相同的工藝進(jìn)行完第一次滲氮之后，打開爐罩，把拉桿在原位置旋轉(zhuǎn)180°，使得拉桿內(nèi)外面交換，然后再

用同上述完全一樣的工藝及操作完成第二次滲氮，滲氮前后拉桿變形數(shù)據(jù)見表5。

由表5的測試結(jié)果可知，拉桿9滲氮畸變最大彎曲度均為0.06 mm，拉桿10滲氮畸變最大彎曲度均為0.065 mm，比表3中的拉桿5和拉桿6畸變量還小，進(jìn)一步提高了拉桿的滲氮質(zhì)量。也因此說明在第一次滲氮后，旋轉(zhuǎn)拉桿，可以抵消因爐內(nèi)溫度不均勻引起的部分畸變，可以利用此結(jié)果對畸變超差的桿狀工件進(jìn)行適當(dāng)?shù)某C正。

表5 一次滲氮后拉桿在爐內(nèi)原位旋轉(zhuǎn)180°后再次離子滲氮后直線度的變化(mm)

隨爐試樣測試結(jié)果為滲層深度0.48～0.50 mm，表面硬度為645～660 HV，完全滿足圖紙要求，但和試驗3相比，整個工藝過程增加了約15 h，能源消耗也增加了約1/4。

5 結(jié)論

1) 加工應(yīng)力是引起拉桿離子滲氮畸變的最大因素，在滲氮前進(jìn)行低于調(diào)質(zhì)回火溫度20 ℃左右進(jìn)行去應(yīng)力退火，可有效降低滲氮畸變。

2) 采用懸吊裝爐及適當(dāng)降低升溫速度的措施可以在一定程度上減小拉桿的滲氮畸變。

3) 多次重復(fù)滲氮會增加拉桿的滲氮畸變；控制措施是前一次滲氮結(jié)束后，在再次滲氮前把拉桿原地旋轉(zhuǎn)180°后再進(jìn)行下一次滲氮，不僅可以避免滲氮畸變增加，還可以對原來的畸變進(jìn)行矯正。