短應(yīng)力線(xiàn)軋機(jī)拉桿離子滲氮畸變控制

孫華雨， 趙玉霞， 李雙喜

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院， 河南 鄭州 451191)

應(yīng)力線(xiàn)軋機(jī)因具有剛度大、精度高、質(zhì)量輕、易操作等優(yōu)點(diǎn)而被當(dāng)今鋼鐵行業(yè)廣泛使用，拉緊螺桿(拉桿)是其關(guān)鍵部件之一[1-2]。拉桿的主要作用是通過(guò)螺紋機(jī)構(gòu)的調(diào)整間接帶動(dòng)軋輥進(jìn)行調(diào)隙，也就是說(shuō)，拉桿的螺紋旋轉(zhuǎn)精度決定了短應(yīng)力線(xiàn)軋機(jī)的軋制精度，故對(duì)拉桿的制造精度、表面熱處理和裝配質(zhì)量要求較高。拉桿材料一般采用中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的強(qiáng)韌性，再經(jīng)表面改性處理，達(dá)到耐磨、耐蝕的目的[3-5]。

離子滲氮是現(xiàn)在使用最廣泛的表面滲氮方式之一，和其他滲氮方式相比，具有滲速快、滲層性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于鋼鐵制品的表面改性，可以有效地提高工件表面的耐磨、耐蝕、疲勞等性能[6-8]。由于離子滲氮在較低溫度下進(jìn)行(450～580 ℃)，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，滲后畸變小，一般作為工件加工最后一道工序。由于滲氮后表面硬度很高，導(dǎo)致加工困難，所以一旦發(fā)生畸變超差，矯正十分困難，將大大降低產(chǎn)品質(zhì)量[9-11]。為了提高軋機(jī)的運(yùn)行精度和平穩(wěn)性，圖紙技術(shù)要求拉桿材料為42CrMo4鋼，滲氮后沿長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度畸變≤0.100 mm，滲氮層深度≥0.4 mm，滲氮層表面硬度≥525 HV，拉桿具體尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 拉桿直線(xiàn)度測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pull rod straightness test

影響滲氮畸變的因素很多，在不同形狀工件上其影響大小也不同；影響因素一般有：加工應(yīng)力、裝卡方式、爐內(nèi)擺放位置、工件形狀、升溫和降溫速度等[12-14]。此產(chǎn)品批量很大，為了弄清楚各因素對(duì)滲氮畸變的影響程度，以便尋找最佳的應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本，本文采用對(duì)各因素一一消除的形式對(duì)各影響因素進(jìn)行研究，也為所有長(zhǎng)桿類(lèi)工件滲氮畸變控制提供參考。

1 拉桿初次滲氮

拉桿采用42CrMo4中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，加工工序?yàn)殄懠周?chē)—調(diào)質(zhì)—半精加工—精加工—離子滲氮。調(diào)質(zhì)工藝為870 ℃×3 h淬火，油冷，560 ℃×5 h，回火后空冷，調(diào)質(zhì)硬度為290～310 HBW。

把清洗干凈的拉桿立在鐘罩式單熱源離子滲氮爐陰極盤(pán)上，裝爐量為2根，為了方便比較拉桿滲氮前后畸變的變化量，滲氮前在機(jī)床上用杠桿百分表測(cè)試?yán)瓧U的直線(xiàn)度，即用機(jī)床的頂尖頂住拉桿兩端的頂尖孔，首先用百分表測(cè)量拉桿長(zhǎng)度方向中間位置，轉(zhuǎn)動(dòng)拉桿一周，以最低點(diǎn)作為基點(diǎn)，其所在長(zhǎng)度方向的線(xiàn)作為基準(zhǔn)線(xiàn)，每旋轉(zhuǎn)90°記錄一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)度方向上選取6處作為測(cè)試點(diǎn)，具體測(cè)試方法見(jiàn)圖1。拉桿滲氮工藝為540 ℃×50 h，具體工藝曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，滲劑為熱分解氨，升溫速度為100 ℃/h；為了保證螺紋處的滲氮質(zhì)量，采用了較大爐壓(255 Pa)。滲氮結(jié)束，關(guān)閉電源，拉桿隨爐冷卻至250 ℃以下，打開(kāi)爐罩，空冷至室溫。取出試樣，根據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》中的硬度法測(cè)試隨爐試樣滲層深度和表面硬度。用與滲前一樣的方法對(duì)滲氮后拉桿的直線(xiàn)度進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。試樣滲層深度測(cè)試結(jié)果為0.44～0.46 mm，滲層表面硬度654～673HV，滿(mǎn)足圖紙技術(shù)要求。

圖2 離子滲氮工藝曲線(xiàn)Fig.2 Process curve of the ion nitriding

由表1的測(cè)試結(jié)果可知，拉桿1在長(zhǎng)度方向滲氮畸變最大彎曲度為0.310 mm，拉桿2最大畸變量為0.250 mm，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出圖紙要求的≤0.100 mm，需采取措施，減小滲氮畸變。

表1 拉桿立在陰極盤(pán)上離子滲氮后直線(xiàn)度的變化(mm)

2 改進(jìn)裝爐方式和減小升溫速度后滲氮

對(duì)于長(zhǎng)桿狀工件，采用垂直吊掛的方式，利用工件自身質(zhì)量，可降低工件的滲氮畸變。在圖1中的左端中心加工M16吊裝孔，把拉桿垂直懸吊于離子滲氮爐內(nèi)，同時(shí)將升溫速度降低至60 ℃/h，其余不變，滲氮前后拉桿直線(xiàn)度測(cè)試見(jiàn)表2。

表2 垂直懸吊于爐內(nèi)且降低升溫速度后拉桿離子滲氮后直線(xiàn)度變化(mm)

由表2可以看出，滲氮后拉桿3長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度最大畸變量為0.21 mm，滲氮后拉桿4長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度最大畸變量為0.20 mm，比第一次滲氮畸變量有所減小，但仍未達(dá)到要求。由此可見(jiàn)，采用吊裝和降低升溫速度可以在一定程度上減小畸變，但效果有限，滲氮畸變量仍然不能滿(mǎn)足圖紙要求，影響畸變的主要因素仍然沒(méi)有消除。

3 去應(yīng)力退火后滲氮

結(jié)合前面兩次滲氮結(jié)果，對(duì)滲氮畸變產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為拉桿內(nèi)存在較大的加工應(yīng)力；當(dāng)拉桿溫度升高，使得基體強(qiáng)度降低，在內(nèi)應(yīng)力的作用下拉桿產(chǎn)生了畸變。為了在滲氮前去除加工應(yīng)力，拉桿加工工序改為：鍛件—粗車(chē)—調(diào)質(zhì)—半精加工—去應(yīng)力退火—精加工—離子滲氮。

在Ac1溫度以下，去應(yīng)力加熱溫度越高，加工應(yīng)力去除越徹底，但考慮到爐溫的不均勻性及爐溫誤差，去應(yīng)力加熱溫度要低于調(diào)質(zhì)回火溫度20 ℃，以免降低拉桿基體硬度[15]，所以去應(yīng)力退火工藝定為540 ℃×5 h，保溫結(jié)束后，隨爐緩冷至300 ℃，然后出爐空冷至室溫，再進(jìn)行精加工，精加工時(shí)進(jìn)刀量要盡量小，以免再次產(chǎn)生較大加工應(yīng)力，最后進(jìn)行離子滲氮；裝爐方式仍然采用吊裝，滲氮工藝及操作同第一次離子滲氮。用同樣的方法對(duì)滲氮前和滲氮后拉桿的直線(xiàn)度進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 增加去應(yīng)力退火預(yù)處理后離子滲氮拉桿直線(xiàn)度的變化(mm)

由表3的測(cè)試結(jié)果可知，拉桿5和6直線(xiàn)度最大彎曲量均為0.07 mm，滿(mǎn)足了圖紙的要求，滲氮畸變得到很好控制，由此可見(jiàn)，加工應(yīng)力是影響滲氮畸變的主要因素。

試樣滲層深度測(cè)試結(jié)果為0.44～0.46 mm，滲層表面硬度為650～670 HV，滿(mǎn)足圖紙技術(shù)要求。

4 多次滲氮對(duì)拉桿滲氮畸變的影響及補(bǔ)救措施

4.1 拉桿多次短時(shí)滲氮

在生產(chǎn)中難免遇到臨時(shí)停電、設(shè)備故障等原因?qū)е聺B氮中途中止，此時(shí)滲層深度未達(dá)到圖紙要求，需繼續(xù)補(bǔ)滲。為了弄清重復(fù)加熱冷卻對(duì)滲氮畸變的影響，本次試驗(yàn)拉桿狀態(tài)、裝卡方式、升溫速度等所有工藝參數(shù)及操作過(guò)程都與表3對(duì)應(yīng)的滲氮試驗(yàn)一樣，只是把滲氮過(guò)程分為兩段，每段保溫25 h，具體工藝過(guò)程見(jiàn)圖3。拉桿滲氮前后沿長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 兩次滲氮工藝曲線(xiàn)Fig.3 Twice nitriding process curve

表4 二次離子滲氮后拉桿直線(xiàn)度變化 (mm)

由表4的測(cè)試結(jié)果可知，拉桿7滲氮畸變最大彎曲度均為0.13 mm，拉桿8滲氮畸變最大彎曲度均為0.14 mm，超出圖紙要求0.02～0.04 mm，由此可見(jiàn)多次升溫、降溫對(duì)滲氮畸變也有較大影響；分析認(rèn)為原因是單熱源、鐘罩式離子滲氮爐爐內(nèi)存在溫度梯度。這種類(lèi)型的滲氮爐為了保證爐內(nèi)真空度，在連接處都有橡皮墊圈，為了保護(hù)橡皮墊圈，在陰極盤(pán)、爐罩內(nèi)都通有冷卻水，爐內(nèi)輝光產(chǎn)生的熱量60%～70%都是通過(guò)冷卻水帶出爐外的，所以爐內(nèi)溫度具有上低下高，外低內(nèi)高的特性[16-17]。升溫階段是爐內(nèi)溫差最大階段，拉桿靠近爐中心的部分溫度比靠近爐邊緣的部分溫度高，在拉桿內(nèi)形成一定溫度差，由此產(chǎn)生了熱應(yīng)力，導(dǎo)致拉桿滲氮畸變?cè)龃蟆?/p>

4.2 補(bǔ)救措施

經(jīng)過(guò)對(duì)畸變?cè)黾釉蚍治?，采取在第二次滲氮時(shí)，旋轉(zhuǎn)拉桿使拉桿在爐內(nèi)的內(nèi)外表面變換，即在用同上述相同的工藝進(jìn)行完第一次滲氮之后，打開(kāi)爐罩，把拉桿在原位置旋轉(zhuǎn)180°，使得拉桿內(nèi)外面交換，然后再

用同上述完全一樣的工藝及操作完成第二次滲氮，滲氮前后拉桿變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

由表5的測(cè)試結(jié)果可知，拉桿9滲氮畸變最大彎曲度均為0.06 mm，拉桿10滲氮畸變最大彎曲度均為0.065 mm，比表3中的拉桿5和拉桿6畸變量還小，進(jìn)一步提高了拉桿的滲氮質(zhì)量。也因此說(shuō)明在第一次滲氮后，旋轉(zhuǎn)拉桿，可以抵消因爐內(nèi)溫度不均勻引起的部分畸變，可以利用此結(jié)果對(duì)畸變超差的桿狀工件進(jìn)行適當(dāng)?shù)某C正。

表5 一次滲氮后拉桿在爐內(nèi)原位旋轉(zhuǎn)180°后再次離子滲氮后直線(xiàn)度的變化(mm)

隨爐試樣測(cè)試結(jié)果為滲層深度0.48～0.50 mm，表面硬度為645～660 HV，完全滿(mǎn)足圖紙要求，但和試驗(yàn)3相比，整個(gè)工藝過(guò)程增加了約15 h，能源消耗也增加了約1/4。

5 結(jié)論

1) 加工應(yīng)力是引起拉桿離子滲氮畸變的最大因素，在滲氮前進(jìn)行低于調(diào)質(zhì)回火溫度20 ℃左右進(jìn)行去應(yīng)力退火，可有效降低滲氮畸變。

2) 采用懸吊裝爐及適當(dāng)降低升溫速度的措施可以在一定程度上減小拉桿的滲氮畸變。

3) 多次重復(fù)滲氮會(huì)增加拉桿的滲氮畸變；控制措施是前一次滲氮結(jié)束后，在再次滲氮前把拉桿原地旋轉(zhuǎn)180°后再進(jìn)行下一次滲氮，不僅可以避免滲氮畸變?cè)黾?，還可以對(duì)原來(lái)的畸變進(jìn)行矯正。