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目前材料装炉量和氨分解率对气体渗氮效果的影响

发布时间:2021-07-14 10:54:23 阅读: 来源:防火保温板厂家

材料、装炉量和氨分解率对气体渗氮效果的影响

笔者结合多年的生产实践,总结了工件材料、装炉量和氨分解率等因素对气体渗氮效果的影响,并且为保证渗氮质量提出了相应的措施。

1气体渗氮的材料选择

传统气体渗氮和离子渗氮一直将38CrMoAl钢作为渗氮专用钢。如今这一观念已经受到生产实践和渗氮工艺发展的冲击,38CrMoAl钢并不是渗氮用钢的最佳选择。

表1所列数据表明,同等条件下,38CrMoAl钢渗氮的最大优势是硬度高,但其渗氮速度远不如40Cr、42CrMo、35CrMoV、20CrMnTi等钢材。38CrMoAl钢渗氮不仅渗速慢,而且脆性大,难以控制。而40Cr、42CrMo、35CrMoV等不含Al的合金结构钢,渗氮不但能获得渗层与硬度的较佳配合,渗速较38CrMoAl钢快,而且渗层一般没有脆性或脆性易于控制。

表1几种材料渗氮效果比较(生产原始记录)

认为V、Ti、Mo和Cr能显著提高氮在 相中的溶解度并能形成这些元素的氮化物;Al和Si不能改变氮在 相中的溶解度,渗氮时也不能形成氮化物。内渗氮层(扩散层)的强化主要由于析出合金元素的氮化物提供,合金元素与氮的亲合力按如下顺序递降:Zr、Ti、Ta、Al、V、Cr、Mo、W、Mn、Fe。常规合据了解金钢元素中,如果排除Al元素,含Ti、V、Cr、Mo的合金钢应是较好的渗氮用钢。有资料表明最高的耐磨性并不相应于最高的硬度。38CrMoAl和40Cr钢渗氮后相比,尽管40Cr钢渗氮层硬度低得多,但耐磨性却比38CrMoAl钢高得多。因此选用38CrMoAl钢渗氮不是最恰当的。38CrMoAl钢渗氮脆性高,而且冶金和热处理都比较困难。V元素对提高渗氮层的耐磨性有重要贡献。V还能改善饱和氮沿渗氮层均匀分布,形成稳定的氮化物,避免了饱和氮的富集而形成脆性层。因此新型渗氮钢中V是最有前途的元素。生产实践也证明含V的合金钢渗氮效果很好。如35CrMoV钢气体渗氮18h,渗层可达0.50mm,硬度达698HV10以上。工厂常用的结构件如齿轮、轴类选用35CrMoV、45CrMoV、42CrMo、35CrMo和40Cr钢渗氮,无论是从经济角度,还是从冶金和热处理工艺性能来考虑都是较合理的。

2装炉量与渗氮效果

渗氮时的装炉量受诸如氨分解率、进气压力等工艺参数的控制,而且直接影响渗氮效果。

我厂渗氮炉罐的有效工作尺寸为 700mm 3200mm,按使用尺寸为 600mm 2800mm计算,装炉量约为6200kg,将这种计算装炉量设定为WJ。在实际生产中考虑工件之间,工件与炉壁之间的间隙,炉内气氛流畅等因素,实际装炉量往往低于WJ,我们将这种实际装炉量设为Ws。

70年代末及80年代初,我厂渗氮零件仅限于拉丝鼓轮、型料挤出机螺杆和螺筒等零件,零件小,批量少,每次装炉量约为400~500kg。即WS为WJ的1/15~1/13。采用两段44h渗氮工艺渗氮,操作过程中发现氨分解率很难控制,氨进气压力高达80~180mm油柱( 8mm)时,氨分解率仍然很高。渗氮效果很差,渗层一般为0.30mm~0.40mm,而且脆有力 保障了航空、航天、兵器、船舶、核能、电子等重点工程型号的顺利实行性很高。80年代末及90年代初,我厂40Cr钢的机床齿轮要求经常规调质处理后,再行渗氮处理,以进一步提高齿轮质量。随着生产规模的扩大,38CrMoAl、40Cr钢齿轮的批量也增大,每最近次渗氮装炉量为800~1200kg,即WS约为WJ的1/8~1/5。采用两段24h渗氮,氨进气压力第1阶段通常为30~50mm油柱,第2阶段通常为20~30mm油柱,发现氨分解率很容易控制到工艺要求的范围,渗氮效果也很好,渗层可达到0.50mm左右,硬度达980HV10以上,脆性<2级。

1997年编号为的一炉渗氮装炉量为407kg,即WS约为W就已初现出1位不畏艰巨的成熟领导人的强大气场J的1/15,采用同样的两段24h渗氮工艺,渗氮第1阶段氨进气压力高达80~150mm油柱,第2阶段进气压力为110~170mm油柱,发现氨分解率很难控制到工艺要求范围内。装炉量与NH3进气压参数重复了70年代末和80年代初的数据,渗氮效果也很差,38CrMoAl钢渗氮层仅为0.30mm,硬度为1078HV10,脆性3级。因装炉量小,氨进气压力高,氨分解率难控制,影响渗氮效果的情况时有发生。

根据渗氮处理原始资料分析表明,装炉量影响渗氮效果。在渗氮工艺、设备一定的条件下,WS愈大,渗氮主要参数氨分解率易于控制,渗氮效果相对较好。笔者根据长期的生产实践和原始记录分析认为WS为WJ的1/5~1/3较合理。如果WS与WJ相近,则装炉量过大,说明工件的尺寸大,则渗氮工艺参数会发生较大变化,如渗氮时间需要延长。WS低于WJ的1/8,则会出现氨分解率难控制,渗氮效果差的情况。因此需要将实际装炉量视为影响渗氮效果的一个重要因素,合理装炉。

3氨分解率对渗速及脆性的影响

就38CrMoAl钢而言,氨分解率对渗层脆性有重要影响。氨分解率实质是炉罐内氮势的反映。氨分解率低,气氛氮势高,氨分解率高则气氛氮势低。据资料[2]介绍,常规两段气体渗氮不易产生脆性,但实际生产中因氨分解率控制不当,即使两段渗氮仍然会使脆性超差,并影响渗氮速度。

38CrMoAl钢中的Al元素对氮原子的亲合力特别强,在过低的氨分解率气氛中,即高氮势气氛中,活性氮原子很快富集于工件表面,在没有充分向工件内部扩散的情况下,极易形成+ 和 相的3层组织即白层[3],当氮浓度>11.4%,温度低于500℃则会产生 相,白层中一旦出现了 相,则渗层脆性很高。笔者根据长期的生产实践及分析原始记录认为,渗层脆性主要产生于渗氮的最初阶段。在升温阶段,当温度升至400~500℃范围时,氨开始分解,而分解率低,氮势高,此时工件温度也处于不均匀状态,氮原子富集于工件表面,难以向分档扩大是指传感器扩大器的1个部份参数工件内部扩散。由于炉内温度在500℃以下,聚积于工件表面的氮原子很快形成、+ 相的白层并增厚,由于氮势很高,也极易形成 相,使白层脆性增高。活性氮原子在相中的扩散系数只有 相中的1/60~1/100,在 相中的扩散系数还要小,所以渗氮开始阶段极易形成脆性很高的白层。一旦形成了脆性白层,对后期氮项目达产后可为公司贡献收入10.15亿元原子的渗入与扩散就会起阻碍作用,降低渗氮速率。根据生产记录分析表明,渗氮保温前2~3h内氨分解率<16%时,38CrMoAl钢渗氮层脆性明显升高,渗层深度明显降低。如表2所示。

表2渗氮最初阶段2~3h氨分解率对渗层、脆性的影响

注:渗氮钢38CrMoAl。工艺:第1阶段520℃ 12h,氨分解率18%~25%,第2段560℃ 12h,氨分解率40%~60%。

因此渗氮过程中,在温度为400~500℃范围内不得产生过低的氨分解率,而且第一阶段保温之前1h也不允许氨分解率<16%。具体措施是在400~500℃范围尽可能调高氨进气压力,使氨不发生分解,或迅速调低氨压力,将氨分解率调高至16%以上;在第一阶段保温之前1h可适当调低氨压力,或临时升高炉内温度,调高氨分解率至工艺要求。

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