襯套滲氮異常組織產(chǎn)生的原因及處理

■ 張宇慶

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滲氮就是將鋼鐵零件置于活性氮介質(zhì)中，在一定溫度和保溫時間下，使其表面滲入氮元素的工藝過程。滲氮表面具有高硬度、高耐磨性及高的殘余壓應(yīng)力，并且零件變形小，同時具有良好的耐蝕性。適合于要求變形小、尺寸穩(wěn)定性高、耐磨性好的零件，如精密機(jī)床上的齒輪、主軸等。本文論述的襯套就屬于這種零件。

襯套（見圖1）是分配機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，其加工的精度直接影響液壓機(jī)構(gòu)的運行狀況，從而影響操縱的穩(wěn)定性。

1. 問題的提出

襯套的熱處理要求：進(jìn)行滲氮處理，滲氮層0.3～0.6mm，硬度≥600HV。襯套經(jīng)滲氮處理后，在部件的裝配過程中，發(fā)現(xiàn)個別零件出現(xiàn)了掉塊現(xiàn)象。經(jīng)過檢查，掉塊均在尖角和邊角處出現(xiàn)。為了探究掉塊的原因，隨機(jī)在零件的掉角處進(jìn)行了線切割加工，取樣進(jìn)行金相組織檢驗。零件試樣在進(jìn)行金相檢驗時，發(fā)現(xiàn)滲氮組織中出現(xiàn)了網(wǎng)狀滲氮物（見圖2）。按照GB/T11354——2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的規(guī)定，評定滲氮物網(wǎng)狀組織達(dá)到了5級，屬于嚴(yán)重不合格組織。

圖1 襯套結(jié)構(gòu)

圖 2

2. 原因分析

由于滲氮生產(chǎn)我們是首次進(jìn)行，這方面的經(jīng)驗不是很多，通過咨詢和查閱資料，分析產(chǎn)生此種異常組織的原因主要是：在滲氮生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)的氮勢過高，造成零件的表面氮原子聚集，先滲入的氮原子沒能及時向零件內(nèi)部擴(kuò)散，隨著零件表面滲入的氮原子不斷增加，在零件的表面聚集越來越多，最終逐漸形成了網(wǎng)狀組織。這種情況往往會出現(xiàn)在零件的尖角和銳邊，零件的實際情況也是如此。推斷滲氮過程中出現(xiàn)氮濃度過高的原因大致有以下幾種原因：

（1）滲氮過程中，爐內(nèi)的氨分解率出現(xiàn)了波動，沒能及時調(diào)整，或設(shè)備狀況出現(xiàn)異常，都有可能影響爐內(nèi)的滲氮氣氛，從而導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)非正常的組織。

（2）滲氮開始時，爐內(nèi)在建立起必要的濃度梯度后，氮原子通過表層向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。而當(dāng)爐內(nèi)的氨分解率出現(xiàn)波動時，在隨后的擴(kuò)散過程沒能及時進(jìn)行調(diào)整，爐內(nèi)的氮勢高，勢必造成了在零件表面聚集大量的氮原子，并逐漸形成了網(wǎng)狀組織。

（3）由于零件表面的氮勢過高，在冷卻過程中也易出現(xiàn)脆性相，使?jié)B層脆性增加。

（4）零件邊角若毛刺、銳邊過大，滲氮過程中也會增加了氮原子聚集的傾向，從而出現(xiàn)網(wǎng)狀組織。

（5）液氨的含水量過高，影響滲氮過程中爐內(nèi)的滲氮氣氛，即爐內(nèi)的雜質(zhì)多，也會影響滲氮的質(zhì)量。

3. 滲氮工藝的改進(jìn)及效果

根據(jù)以上的原因分析，在隨后的滲氮工藝運行中，將工藝進(jìn)行了適當(dāng)變動，主要有以下幾點：

（1）氨分解率是滲氮工藝過程中一個重要參數(shù)，它的高低直接影響工件表面的吸氮速度。氨分解率對滲層硬度及層深的影響，主要表現(xiàn)在滲氮開始的幾小時或十幾小時內(nèi)。因此，滲氮初期選用較低的氨分解率（即足夠高的爐氣氮勢），將強(qiáng)滲階段的氨分解率調(diào)整為33%，以便在較短時間內(nèi)建立起必要的濃度梯度；擴(kuò)散階段的氨分解率調(diào)整為55%，這樣做的目的就是降低滲氮爐內(nèi)的氮勢，減少零件的滲氮組織出現(xiàn)滲氮物級別增高的可能性，并適當(dāng)?shù)亟档土慵臐B氮層硬度。

（2）為了預(yù)防ε相脆性過大而不合格，將氨分解率調(diào)整為80%以上，進(jìn)行退氮處理和擴(kuò)散處理，目的是降低滲氮爐內(nèi)的氮勢，控制零件表面的氮濃度，從而保證零件的滲氮組織不出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)狀組織。

（3）為了避免零件在滲氮過程中邊角處出現(xiàn)滲氮物聚集的現(xiàn)象，將零件進(jìn)行鍍錫處理，并嚴(yán)格控制零件的鍍錫層厚度，保證鍍錫層的厚度在0.004～0.008mm。若鍍錫層鍍薄，則不會起到防滲作用；鍍層過厚，在滲氮時，鍍錫層就會出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，影響滲氮面的滲氮質(zhì)量。經(jīng)過試驗，鍍錫層的厚度控制在0.004～0.008mm，防滲效果是最好的。

（4）選用GB536—1988《液體無水氨》中規(guī)定的濃度為99.9%的液氨，避免氨氣在進(jìn)入爐內(nèi)產(chǎn)生水汽，從而影響爐內(nèi)的滲氮效果。

（5）將輸氣方式由原來的單瓶連接變?yōu)閰R流排連接，這樣就能有效地避免換液氨瓶時出現(xiàn)雜氣渾入爐內(nèi)的現(xiàn)象，從而保證了氨氣供應(yīng)的連續(xù)性。

（6）根據(jù)滲氮過程的各階段的實際情況，適時地調(diào)整設(shè)備的排氣開關(guān)，控制氨氣的流量，調(diào)節(jié)爐氣壓力，以保證爐內(nèi)的氮勢控制在合理的范圍內(nèi)。

（7）根據(jù)零件的裝爐數(shù)量，適時延長滲氮的保溫時間，從而更好地保證滲氮層深度。

通過采取以上幾種有效的技術(shù)措施，并在實際生產(chǎn)中，控制氨分解率的大小，逐漸摸索出了解決滲氮問題的辦法，零件的滲氮效果得到了很大的提高。經(jīng)過金相檢驗，滲氮組織中沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀滲氮物，完全符合GB/T11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中規(guī)定的要求，能夠達(dá)到二級，脆性檢查1級，零件的滲氮硬度控制在780～840HV，完全符合圖樣中的技術(shù)要求（見圖3）。

滲氮后的零件在隨后的磨削工序和裝配過程中，均沒有發(fā)現(xiàn)掉塊、裂紋等缺陷。經(jīng)過試生產(chǎn)解決了滲氮過程中出現(xiàn)的滲氮組織不合格、防滲氮物聚集的鍍錫層流淌等問題，從而保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

圖 3

4. 結(jié)語

零件在進(jìn)行滲氮處理時，由于滲氮介質(zhì)氨氣質(zhì)量不穩(wěn)定，滲氮爐內(nèi)的氨分解率的不穩(wěn)定，直接影響氮勢的穩(wěn)定性。如果不及時調(diào)整氨氣的流量，氨分解率不能及時得到控制，零件的滲氮組織就會出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，導(dǎo)致零件出現(xiàn)廢品。因此在滲氮過程中，要實時監(jiān)控，嚴(yán)格控制溫度、氨分解率等工藝參數(shù)，保證滲氮工藝的正常運行。