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离子渗氮工艺的应用及体会|东莞德亿热处理厂


离子渗氮作为节能、省气、少污染的先进热处理工艺,具有渗氮质量高,渗氮速度快,工件畸变小的优势,已逐步取代气体渗氮成为生产实践中最常用的工件表面强化方法之一。近年来,我司承接了许多各种材料,不同服役条件产品的离子渗氮试制任务,做了大量技术攻关试验工作,通过调整工艺参数并在装炉方式、工夹具、工艺操作等诸多环节上积累了不少生产实践经验,进一步扩大了离子渗氮工艺在各类机械零件上的应用。现将已完成的典型工件介绍如下: 

一、  局部渗氮的不锈钢工件  

辉光放电的离子轰击作用,能直接去除不锈钢表面的钝化膜,对需局部渗氮的不锈钢工件可方便地用机械屏蔽方法解决。故需局部渗氮的不锈钢汽车零件常用离子渗氮强化表面,材料有304316Cr13型等。 

例:某核电站控制阀零件,材料4202Cr13),渗氮技术条件:表面硬度>850HV1,硬化深度0.20-0.25mm,需局部防渗。(图一.零件渗氮部分及防渗工装示意图)工件淬火后进行渗氮:离子渗氮后表面硬度980-1050HV1,硬化深度0.23-0.25mm(基体硬度30HRC),尺寸基本不变形。(原采用气体渗氮尺寸胀大约0.02mm            

二、扩散层有硬度要求的渗氮件   

     我国现行的离子渗氮质量指标常用表面硬度和渗层深度两项,而国际制造业根据工件服役时受力情况,往往对渗氮件增加渗层(扩散层)硬度指标,即要求渗氮层硬度梯度平缓,这对提高工件抗疲劳性能十分有利。离子渗氮层的硬度及硬度梯度取决于材料种类和不同的渗氮工艺,扩散层硬度指标的提出对离子渗氮技术提出了更高的要求,按常规的离子渗氮工艺生产很难达到质量指标。我们通过工艺试验,不断调整了渗氮温度和时间等工艺参数,达到了质量控制目标。 

以下(1)是几种有扩散层硬度要求零件渗氮后的测试结果。  

部分零件渗氮扩散层硬度测试结果  

序号

材料 

技术条件 

测试结果

316L

表面硬度 

900HV 

1000-1200HV1 

0.03mm处≥ 

650HV0.3 

850-1100HV0.3  

硬化层深度

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 

硬化层深度 

0.76mm 

0.76mm 

三、大型薄壁件的离子渗氮   

离子渗氮处理时加热温度低,这对要求热处理后变形要求高的工件非常有利。某加热板工件,材料15CrMo,工件尺寸1820×1620×75,板上分布了许多大小不一的孔洞,渗氮时需将孔洞全堵上。由于工件尺寸大且截面厚薄不均匀,形状又复杂,热处理时极易变形。对此采取相应的措施: 

1.合理安排了冷热加工工序:坯料→正火+高温回火→切削、钻孔、初磨→稳定化处理(580℃)→精磨→离子渗氮。 

2.离子渗氮时采用阶梯升温,减少电流密度升温等措施。渗氮工艺曲线见图2 

离子渗氮质量检测结果见表2

                     

2  加热板离子渗氮质量检测结果

质量项目 

技术条件

检测结果 

表面硬度(HRC) 

62-70 

756HV(相当于62.5HRC) 

硬化层深度(mm

0.40 

0.48






     3加热板离子渗氮硬度梯度曲线见图(基体硬度185HV  

经测量,离子渗氮后平板最大变形<0.15mm,无需后续机械加工,完全满足了设计要求。 

  

四、深层离子渗氮的动力设备件  

42CrMo辊端轴套(4)是轧机传动轴零件,使用时要求具有较高的耐磨性和抗疲劳性能。轴套离子渗氮技术条件为内孔表面硬度>600HV,硬化深度>0.80mm。超常规的(0.20-0.50mm)的渗氮层深度要求与较高的表面硬度这对相互制约的质量指标是渗氮技术的控制难点。为此研制了相应的深层离子渗氮工艺并精心操作,完成了工艺过程,达到了技术指标。


离子渗氮后的轴套零件内孔表面硬度达720HV,硬化层深度达0.86mm(基体硬度340HV,完全达到零件的设计要求。渗氮层硬度梯度曲线见图5 



深层离子渗氮技术在港口机械小针轮零件(材料42CrMo)上也得到过较好应用。

深层离子渗氮工艺的开发成功为拓展离子渗氮在大型机械零件表面强化上的应用作了尝试。 

 五、几点体会  

1.离子渗氮工艺质量高。离子渗氮工件表面硬度高,硬度梯度平缓,渗层均匀,韧性好,工艺重复性好。通过使用脉冲电源替代直流电源加热设备后,设备自动化程度大大提高,操作简化,控制精度高,进一步保证了产品质量的稳定性。 

2.离子渗氮工艺的节能减耗优点体现在几个方面:

⑴离子渗氮渗速快,处理时间短,耗能低,浅层渗氮优势明显,在深层渗氮时,即便渗氮时间与气体渗氮相差不大,但耗电量和耗气量明显降低。 

⑵降低了零件制造加工成本。离子渗氮畸变小,粗糙度变化小,局部渗氮方法简单,零件渗氮后无需机械加工。此外,由于工艺材料适用性广,不仅适合合金结构钢,工模具钢,冷加工成型性、可焊性好的不锈钢常用离子渗氮实现表面强化,且应用增长较快。同样,Q23545等普通碳钢也在离子渗氮工艺上得到较好应用。这也大大降低了热处理能耗和加工成本。 

⑶作为一种新兴的工艺方法,在使用推广中也遇到了不少问题。离子渗氮技术不仅与设备性能及工艺有关,装炉方式,工装,工艺操作等均起重要影响。离子渗氮时,由于工件形状,装炉量等影响,渗氮炉设备热电偶显示温度与实际工件温度相差较大,工件实际渗氮温度的控制很大程度上取决于操作者的实践经验。此外,对于不同材料,不同形状工件的同炉混装,生产中存在较大困难。另外,怎样缩短深层渗氮的工艺时间,如何通过气源的选择,配比,控制渗氮层组织等问题都有待通过大量试验解决。

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