滴入式氣體硫氮碳共滲工藝研究及在生產(chǎn)中的應(yīng)用

高紅花

摘 要：熱處理技術(shù)是提高機(jī)械零件綜合性能和使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一，化學(xué)熱處理是熱處理工藝的一項(xiàng)重要內(nèi)容，加強(qiáng)對化學(xué)熱處理技術(shù)的研究和應(yīng)用能大大提高機(jī)器零件的綜合性能，改善其切削加工性能和延長零件的使用壽命，本文從氣體硫氮碳共滲的工藝研究出發(fā)探索其工藝規(guī)律，并將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，尤其在汽車齒輪制造中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：氣體硫氮碳共滲 工藝研究 生產(chǎn)應(yīng)用

中圖分類號：TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0098-02

化學(xué)熱處理能最大限度地改善機(jī)械零件的綜合機(jī)械性能及加工工藝性能，延長機(jī)械零件的使用壽命。由此，對化學(xué)熱處理的工藝研究并將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)中，具有非常重要現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本文以硫氮碳共滲的工藝研究為例，詳細(xì)介紹了向鋼中加入硫、氮、碳3種元素的工藝措施，并且也介紹了3種元素加入后對鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、綜合機(jī)械性能以及切削加工性能的影響。

1 滴入式硫氮碳共滲工藝內(nèi)容

滴入式硫氮碳共滲工藝中是以氨氣、氮?dú)?、含硫的化合物通過按時(shí)按量滴入到熱處理氣氛爐內(nèi)氣化后形成一定比例的混合氣體，在一定的溫度和壓力條件下，讓混合氣體與鋼鐵形成碳化物、氮化物或硫化物，從而向鋼鐵表層擴(kuò)散、滲入[1]。

滴入式硫氮碳共滲工藝條件：（1）生產(chǎn)設(shè)備須帶有氣體滴注裝置，氣體滲氮井式氣氛爐或箱式氣氛爐；（2）工作溫度通常在650℃左右；（3）工藝過程參數(shù)：待處理的零件隨爐加熱到300℃時(shí)開始通入氨氣，對于體積為30m3的氣氛爐，氨氣的通入量為23～25L/min；并滴注含硫和碳的液態(tài)滲劑，含硫的滲劑的滴入量為每分鐘8～10滴，含碳的滲劑滴入量為每分鐘6～8滴。爐溫加熱到570℃～580℃，視零件的材料、形狀、懸掛方式以及滲層厚度要求的不同，保溫時(shí)間各不相同，通常情況下，硫氮碳共滲的工藝時(shí)間為4～20h。

2 滴入式硫氮碳共滲工藝要求

為了確保獲得較好滲層質(zhì)量，硫氮碳共滲化學(xué)熱處理設(shè)備的氣體共滲罐內(nèi)這些參數(shù)要穩(wěn)定：溫度、壓力、氣體含量、混合氣的均勻性；同時(shí)要保證設(shè)備加熱速度和保溫效果；要求合理地設(shè)置進(jìn)、排氣口的位置和風(fēng)口大小，在共滲罐增設(shè)混合氣導(dǎo)流板和循環(huán)風(fēng)機(jī)，合理地?cái)[放待滲的零件，讓爐內(nèi)共滲混合氣與待滲的零件充分均勻地接觸；此外，改善溫度均勻性和混合氣循環(huán)流動(dòng)的另一辦法是強(qiáng)制氣流循環(huán)?？梢栽诰交蛳涫綒怏w共滲罐內(nèi)設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板槽和循環(huán)風(fēng)罩，或采用氣壓脈沖式周期變化的送風(fēng)、抽風(fēng)設(shè)備。以保證設(shè)備內(nèi)有優(yōu)良的溫度、濃度穩(wěn)定性和均勻性，從而保證爐內(nèi)待滲零件滲層厚度及化學(xué)元素分布的均勻性和一致性，獲得較好的滲層質(zhì)量[2]。

此外，設(shè)備的密封性和共滲室內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況及導(dǎo)流板的效果是保證氣體壓力穩(wěn)定和混合氣濃度的關(guān)鍵因素。采用導(dǎo)風(fēng)板和爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇進(jìn)行爐內(nèi)氣體循環(huán)的裝置，必須設(shè)法保證爐內(nèi)風(fēng)扇軸、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口以及滲劑滴入口等處的密封，密封性的好壞不僅直接影響待滲零件表面滲層質(zhì)量，也會影響到工作環(huán)境和廢氣排放量。爐內(nèi)含有硫、碳、氮、氫、氧等多種化學(xué)元素，在高溫下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一些有害氣體，如果爐氣泄漏將會造成環(huán)境污染，也會使待滲入的各種元素含量不穩(wěn)定，使?jié)B層的金相組織和機(jī)械性能難以達(dá)到目標(biāo)要求，因此必須要確保共滲爐有良好的密封性。

3 滴入式硫氮碳共滲工藝對于零件機(jī)械性能影響及應(yīng)用

氣體硫氮碳共滲工藝之所以能獲得廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，除了它的滲層性能優(yōu)良以外，而且這種工藝方案適用范圍廣泛，除了非金屬和不銹鋼以外的鋼都可以處理，經(jīng)過硫氮碳共滲處理的零件精加工余量少或者不加工，這樣可以節(jié)約加工成本；硫氮碳共滲處理的零件還具有形狀和尺寸變化小等優(yōu)點(diǎn)。

滴入式硫氮碳共滲工藝處理的零件，硫氮碳共滲層除了具有較高的硬度外，還能獲得很好的耐粘結(jié)性，耐腐蝕性和耐磨性。如20CrMnTi制造的齒輪經(jīng)過滴入式硫氮碳共滲處理后，在80～90W齒輪油潤滑的條件下工作，其共滲層的耐粘結(jié)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)過淬火處理的45鋼材料鋼制齒輪，也遠(yuǎn)優(yōu)于45鋼調(diào)質(zhì)后的耐磨性能，甚至比高頻感應(yīng)加熱淬火的鋼的硬度還高；在潤滑條件欠佳的情況下，滴入式氣體硫氮碳共滲處理的零件的耐腐蝕性大大高于正火調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材。

經(jīng)滴入式氣體氮碳共滲處理的零件的滲層還具有良好的抗咬合能力和較高的疲勞強(qiáng)度。在浸油潤滑條件下，滴入式氣體氮碳共滲處理的零件抗咬合能力明顯高于經(jīng)過調(diào)質(zhì)狀態(tài)、淬火和滲碳淬火處理的同類鋼制機(jī)械零件。45鋼制的汽車差速器行星齒輪軸經(jīng)過硫氮碳?xì)怏w共滲處理后接觸疲勞強(qiáng)度可達(dá)到1560MPa，比未經(jīng)過滴入式氣體氮碳共滲處理的零件處理的45鋼材（經(jīng)過正火處理）提高了190%以上；經(jīng)氣體硫氮碳共滲處理變速器中的變速齒輪，其單齒彎曲疲勞強(qiáng)度達(dá)到485MPa，比經(jīng)過高頻感應(yīng)加熱淬火的45材料制造的齒輪的疲勞強(qiáng)度提高了近40%。

硫氮碳共滲化學(xué)熱處理工藝研究成功之后已在工廠投入大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

（1）液壓泵柱塞。材質(zhì)為20CrMo鋼，原處理工藝為調(diào)質(zhì)或正火，試驗(yàn)驗(yàn)證于處于邊界潤滑條件，磨損量為0.05時(shí)使用時(shí)間僅為5000h。現(xiàn)采用氣體碳氮共滲處理，耐磨性提高了5倍，產(chǎn)品合格率100%。如果在共滲處理前采用正火和高溫時(shí)效作為預(yù)先熱處理，還可以顯著降低柱塞在共滲時(shí)的彎曲變形[3]，對于直徑為20mm長度為150mm以內(nèi)的絲柱塞，彎曲變形量僅為0.1mm，彎曲變形程度遠(yuǎn)小于正火或調(diào)質(zhì)處理的零件。

（2）模具沖頭。原材料為GCr15鋼，淬火處理。工作時(shí)與T10A離子滲氮凹模組成一個(gè)間隙配合的運(yùn)動(dòng)副，短期使用后即發(fā)生嚴(yán)重磨損而無法使用?，F(xiàn)將GCr15鋼制沖頭經(jīng)氣體硫碳氮共滲處理，模具使用兩年后仍未出現(xiàn)早期磨損，也未發(fā)生過質(zhì)量異常事故。模具使用壽命超過了10萬件。

（3）電動(dòng)汽車減速器內(nèi)嚙合齒輪。制造材料為45鋼和40Cr鋼，采用高頻感應(yīng)加熱淬火，變形大，加工余量大，加工成本高；磨損快，使用壽命短。經(jīng)調(diào)整將其熱處理工藝改為滴入式氣體硫碳氮共滲處理，單齒彎曲疲勞強(qiáng)度提高約30%，耐磨性提高了3倍，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲降低1～2dB。這里需要指出的是，由于氣體硫碳氮共滲后輪齒靜彎強(qiáng)度較低（僅為高頻感應(yīng)加熱淬火的70%～80%），抗沖擊能力略有下降，采用氣體硫氮碳共滲工藝齒輪不適用與轉(zhuǎn)速很低、傳遞扭矩很大或承受較大沖擊負(fù)荷的齒輪。

4 結(jié)語

生產(chǎn)實(shí)踐證明，滴入式硫氮碳共滲處理工藝具有熱處理溫度低，熱處理的零件變形量小，共滲層性能優(yōu)良，適用范圍廣，生產(chǎn)成本較低，而且操作較簡單，工藝效果穩(wěn)定。在裝備制造業(yè)、汽車行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)具有比較廣闊的應(yīng)用前景，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳虎寶.曲軸氣體氮碳共滲后冷卻工藝的改進(jìn)[J].熱處理，2017（1）：49.

[2] 鐘新武.氣體碳氮共滲工件質(zhì)量的檢驗(yàn)及控制[J].質(zhì)量探索，2016，13（3）：42.

[3] 吳旭煒.氣體氮碳共滲對42CrMo鋼疲勞性能的影響[J].熱處理，2017（5）：46.