劉斌,張文朝,郭長(zhǎng)健
(人本集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心,上海 201411)
汽車變速箱、摩托車曲軸等重要部位的軸承保持架通常是用低碳鋼沖壓而成,日本的材料牌號(hào)為SPCC,相當(dāng)于中國(guó)材料牌號(hào)的08,08Al,10,10F等,通過(guò)氮碳共滲(或稱軟氮化)處理可以較大幅度提高保持架的硬度、耐磨性和抗拉強(qiáng)度[1];另一方面,由于低碳鋼不耐腐蝕、易氧化,這就要求對(duì)這類軸承保持架進(jìn)行表面處理。
目前,軸承保持架氮碳共滲工藝大致可以分為2種:通氨滴醇法和NH3+CO2低壓脈沖法。其中,通氨滴醇法應(yīng)用較成熟,工藝也相對(duì)穩(wěn)定,缺點(diǎn)是氮碳共滲時(shí)間非常長(zhǎng),氣體消耗量大,不環(huán)保,也不利于節(jié)約能源。低壓脈沖真空氮碳共滲法是指NH3與CO2脈沖氣體在低真空和一定的脈沖幅度下,并保持一定的時(shí)間所進(jìn)行的化學(xué)熱處理工藝,該工藝通過(guò)周期性的充氣、保壓、抽氣的循環(huán)過(guò)程,保證了氮碳共滲氣氛中具有高活性的碳、氮原子,明顯地加快滲入過(guò)程,縮短了處理時(shí)間,氣體消耗量相對(duì)較小,節(jié)約能源。但低壓脈沖法在軸承保持架表面處理中的應(yīng)用較少,對(duì)其工藝的研究還不完善,尤其對(duì)低壓脈沖工藝中脈沖幅度、抽氣時(shí)間、保壓時(shí)間等相關(guān)參數(shù)的確定,各參數(shù)對(duì)氮碳共滲表面質(zhì)量的影響水平還不很明確。下文采用正交試驗(yàn)及極差分析法對(duì)氮碳共滲低脈沖工藝在固定的溫度和固定氣氛比例條件下,脈沖工藝參數(shù)(脈沖幅度、保壓時(shí)間、脈沖時(shí)間)對(duì)軸承保持架氮碳共滲表面白亮層深度、表面硬度的影響進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。
低壓脈沖真空氮碳共滲工藝是在NH3和CO2氣氛下進(jìn)行的。在一定的溫度下發(fā)生如下氣相反應(yīng)
NH3→(3/2)H2+[N],
(1)
NH3→(3/2)H2+(1/2)N2,
(2)
CO2+H2→CO+H2O ,
(3)
2CO→CO2+[C],
(4)
H2O→H2+O2。
(5)
其中,反應(yīng)(4)在熱力學(xué)溫度833 K(559.85 ℃)下標(biāo)準(zhǔn)自由反應(yīng)能⊿F=-25 142.1(J/mol),即⊿F?0,表明CO在低溫下發(fā)生自發(fā)反應(yīng)的趨勢(shì)很強(qiáng)。在該溫度下進(jìn)行氮碳共滲時(shí),由(1)~(4)式可知,NH3分解后將得到H2和活性N原子,H2與CO2反應(yīng)得到CO及H2O,而CO在低溫下自發(fā)反應(yīng)生成CO2和活性C原子,因此,在一定溫度下通入NH3和CO2氣體能實(shí)現(xiàn)低溫氮碳共滲,即軟氮化。
低壓真空脈沖的原理為:零件在設(shè)定的低真空上下限范圍內(nèi)不斷地循環(huán)加熱,實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)正負(fù)壓交變,爐內(nèi)氣氛在工藝周期內(nèi)自行反復(fù)吐故納新,有效解決了在滲氮過(guò)程中出現(xiàn)的由于爐氣老化、滲氮時(shí)間長(zhǎng)以及裝載過(guò)密等原因而導(dǎo)致的氣氛不均等現(xiàn)象[2]。
零件的氮碳共滲過(guò)程分為3個(gè)階段:(1)NH3在零件表面的吸附。這一過(guò)程中吸附活化能比化學(xué)反應(yīng)活化能低很多,因此,這一步反應(yīng)進(jìn)行的速度很快,其在一定溫度下(400~600 ℃),溫度越高,反應(yīng)越快;(2)吸附在零件表面的NH3迅速發(fā)生上述氣相反應(yīng),得到活性N,C原子;(3)活性N,C原子迅速溶入α-Fe點(diǎn)陣中,形成γ' 和ε氮化物,C原子滲入的同時(shí)有助于N原子的溶入[3]。
根據(jù)上述機(jī)理,在進(jìn)行工藝試驗(yàn)時(shí),將著重考慮NH3能盡快被零件表面吸附,并迅速分解成N,C原子,實(shí)現(xiàn)快速氮碳共滲。
井式脈沖氮化爐,主要參數(shù)為:總功率70 kW,爐膛有效尺寸為Φ800 mm×900 mm。
試樣材料為日本牌號(hào)SPCC,熱軋退火狀態(tài),經(jīng)OBLF 750直讀光譜儀分析其化學(xué)成分(表1),符合JIS G3141規(guī)定。
表1 SPCC材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %
在井式脈沖氮化爐中,通入90%NH3和10%CO2氣氛,在570 ℃下進(jìn)行氮碳共滲,脈沖周期由抽氣、充氣、保壓3個(gè)階段構(gòu)成,其中抽氣和充氣時(shí)間相對(duì)固定,而保壓時(shí)間、脈沖幅度及脈沖處理總時(shí)間可變。軸承保持架表面氮碳共滲后的技術(shù)要求為白亮層0.005~0.010 mm,表面硬度350~600 HV0.1。為研究脈沖幅度δ、保壓時(shí)間t及脈沖處理時(shí)間T對(duì)表面白亮層深度及表面硬度的影響,選出最佳工藝方案,確定進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn),設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)表[4],共需進(jìn)行9次試驗(yàn),以考查氮碳共滲后白亮層深度及表面硬度,試驗(yàn)方案見表2。
表3為不同試驗(yàn)方案下保持架表面白亮層、表面硬度及相關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。從表3中可以看出,在一定的氮碳共滲溫度、NH3和CO2比例以及在所選定的脈沖幅度、保壓時(shí)間與總脈沖時(shí)間水平下,根據(jù)極差分析結(jié)果,脈沖幅度δ影響最大,隨著脈沖幅度的縮小,白亮層也隨之減小。這是因?yàn)?,?dāng)脈沖幅度增大時(shí),換氣率增加,NH3與CO氣相反應(yīng)向右進(jìn)行,可以得到更多高活性的N,C原子,從而獲得較厚的白亮層深度。隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng),白亮層深度反而減小,這是因?yàn)楫?dāng)保壓時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),脈沖周期也隨之延長(zhǎng),導(dǎo)致通入NH3流量減小,使?jié)B氮能力減弱。另外,隨著總的脈沖時(shí)間的增加,白亮層深度也將隨之增加。根據(jù)這一趨勢(shì),可以選擇合適的脈沖幅度、保壓時(shí)間及總脈沖時(shí)間[5]。
在不考慮給定的技術(shù)要求情況下,通過(guò)極差分析可知,脈沖幅度、保壓時(shí)間及總脈沖時(shí)間對(duì)白亮層影響的最優(yōu)組合為A1B1C1,即脈沖幅度為-0.03~+0.02 MPa,保壓時(shí)間為60 s,總脈沖時(shí)間為90 min。但由于上述9個(gè)試驗(yàn)方案中僅4,5,6,7符合要求,綜合分析這4組方案,方案5較優(yōu)。
從表3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出,在給定的氮碳共滲溫度、NH3和CO2比例以及在所選定的脈沖幅度、保壓時(shí)間與總脈沖時(shí)間水平下,脈沖幅度對(duì)白亮層影響最大,脈沖幅度大,表面硬度小,這是由于脈沖幅度大,白亮層厚,而過(guò)渡層相對(duì)較薄,導(dǎo)致顯微硬度測(cè)試值偏小。顯微硬度值偏小是因?yàn)椴捎?.1 kg的壓力進(jìn)行顯微硬度測(cè)試時(shí),測(cè)試壓痕深度可能超過(guò)白亮層深度,所測(cè)硬度反映的是白亮層和過(guò)渡層的總體硬度。保壓時(shí)間長(zhǎng),表面硬度也大,這是因?yàn)楸簳r(shí)間長(zhǎng)后,使過(guò)渡層變厚,導(dǎo)致顯微硬度測(cè)試值大;總脈沖時(shí)間對(duì)硬度的影響不明顯。
表3 工藝參數(shù)對(duì)白亮層深度與表面硬度的影響
根據(jù)表3的極差分析,在不考慮給定的技術(shù)要求情況下,脈沖幅度、保壓時(shí)間及總脈沖時(shí)間對(duì)白亮層影響的最優(yōu)組合為A3B3C2,即脈沖幅度為-0.01~+0.01 MPa,保壓時(shí)間為150 s,總脈沖時(shí)間為90 min。但由于上述9個(gè)試驗(yàn)方案中僅4,5,6,7符合技術(shù)要求,綜合分析這4組方案,方案7較優(yōu)。
碳鋼經(jīng)氮碳共滲后由表及里形成的顯微組織依次為白亮層(表面化合物層)、過(guò)渡層(擴(kuò)散層)、基體組織(心部)。表面化合物層由ε相及少量γ'相組成;氮碳共滲后急速冷卻,擴(kuò)散層為含氮過(guò)飽和α鐵素體,當(dāng)緩慢冷卻時(shí),擴(kuò)散層含氮的過(guò)飽和α鐵素體由ε相析出針狀γ'相,如圖1所示。
根據(jù)表3的極差計(jì)算結(jié)果,上述3個(gè)因素對(duì)白亮層深度與表面硬度2個(gè)指標(biāo)的影響均不一致,即最優(yōu)化條件不一致,因此必須綜合考慮這3個(gè)因素對(duì)白亮層深度與表面硬度指標(biāo)影響的主次,并結(jié)合給定的技術(shù)要求,確定最佳工藝組合。
在9個(gè)試驗(yàn)方案中,方案4,5,6,7符合技術(shù)要求,在這4個(gè)試驗(yàn)方案中對(duì)脈沖幅度δ因素而言,水平2(脈沖幅度為-0.02~+0.02 MPa)最優(yōu),即方案5,6較優(yōu),得到的白亮層平均深度分別為7.2和8.1 μm,平均表面硬度分別為497.4和532.5 HV0.1。綜合保壓時(shí)間、總脈沖時(shí)間及生產(chǎn)效率等影響因素,可以確定方案6為較優(yōu)工藝,其工藝參數(shù)組合為:脈沖幅度-0.02~+0.02 MPa,保壓時(shí)間150 s,總脈沖時(shí)間90 min。
在上述較優(yōu)工藝方案6及考慮最短工藝時(shí)間因素下,經(jīng)多次試生產(chǎn)優(yōu)化試驗(yàn)分析,滿足了軸承保持架表面氮化的技術(shù)要求,得出在570 ℃,NH3與CO2比例為9∶1的試驗(yàn)條件下,最佳保持架氮碳共滲工藝曲線如圖2所示。
采用最佳試驗(yàn)工藝進(jìn)行氮碳共滲的零件白亮層深度、表面硬度均符合技術(shù)要求,質(zhì)量便于控制,同時(shí)也縮短了總氮碳共滲時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。
圖2 氮碳共滲工藝曲線
軸承保持架在570 ℃,NH3與CO2比例為9∶1的氮碳共滲工藝條件下:
(1) 低壓脈沖真空氮碳共滲工藝中的脈沖幅度大小對(duì)白亮層深度及表面硬度均影響最大,脈沖幅度越大,白亮層深度也越大,而表面硬度越??;
(2) 最佳的脈沖工藝參數(shù)為脈沖幅度-0.02~+0.02 MPa,保壓時(shí)間150 s,總脈沖時(shí)間60 min。