軸承保持架低壓脈沖真空氮碳共滲工藝

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)。

1 低壓脈沖真空氮碳共滲機(jī)理

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。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

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。

2.2 試樣

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)) %

2.3 試驗(yàn)方法

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。

3 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

3.1 脈沖幅度、保壓時(shí)間及總脈沖時(shí)間對(duì)白亮層的影響

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)。

3.2 脈沖幅度、保壓時(shí)間及總脈沖時(shí)間對(duì)表面硬度的影響

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)。

3.3 金相組織分析

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。

3.4 考慮白亮層深度及表面硬度的最佳工藝

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

4 結(jié)論

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。