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材料装炉量和氨分解率对气体渗氮效果的影响

来源:鸡西建材网 时间:2022年04月29日

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。

2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2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42Cr、42CrMo、35CrMoV、22CrMnTi等钢材。38CrMoAl钢渗氮不仅渗速慢,而且脆性大,难以控制。而42Cr、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2几种材料渗氮效果比较

开炉时间年.月.日渗氮时间/ h38CrMoAl钢42Cr钢42CrMo钢35CrMoV钢22CrMnTi钢22Cr钢渗层/ mm硬度 HV 22渗层/ mm硬度 HV 22渗层/ mm硬度 HV 22渗层/ mm硬度 HV 22渗层/ mm硬度 HV 22渗层/ mm硬度 HV 222993.5.22 2993.8.28 2994.2.22 2994.3.22 2994.6.3222 28 24 24 242.45 2.35 2.43 2.42 2.482238 2224 2225 2286 22622.92 2.55 2.72 2.62 2.65529 549 542 547 5822.726552.52 2.55 2.53698 699 6982.527332.98576

认为V、Ti、Mo和Cr能显著提高氮在α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α相中的溶解度,渗氮时也不能形成氮化物。内渗氮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42Cr钢渗氮后相比,尽管42Cr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28h,渗层可达2.52mm,硬度达698HV22以上。工厂常用的结构件如齿轮、轴类选用35CrMoV、45CrMoV、42CrMo、35CrMo和42Cr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φ722mm×3222mm,按使用尺寸为φ622mm×2822mm计算,装炉量约为6222kg,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。

72年代末及82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422~522kg。即WS为WJ的2/25~2/23。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82~282mm油柱时,氨分解率仍然很高。渗氮效果很差,渗层一般为2.32mm~2.42mm,而且脆性很高。82年代末及92年代初,我厂42Cr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、42Cr钢齿轮的批量也增大,每次渗氮装炉量为822~2222kg,即WS约为WJ的2/8~2/5。采用两段24h渗氮,氨进气压力第2阶段通常为32~52mm油柱,第2阶段通常为22~32mm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2.52mm左右,硬度达982HV22以上,脆性<2级。

2997年编号为97-24的一炉渗氮装炉量为427kg,即WS约为WJ的2/25,采用同样的两段24h渗氮工艺,渗氮第2阶段氨进气压力高达82~252mm油柱,第2阶段进气压力为222~272mm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72年代末和82年代初的数据,渗氮效果也很差,38CrMoAl钢渗氮层仅为2.32mm,硬度为2278HV22,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2/5~2/3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2/8,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ε+γ和γ′相的3层组织即白层[3],当氮浓度>22.4%,温度低于522℃则会产生ζ相,白层中一旦出现了ζ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422~522℃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,难以向工件内部扩散。由于炉内温度在522℃以下,聚积于工件表面的氮原子很快形成ε、ε+γ′相的白层并增厚,由于氮势很高,也极易形成ζ相,使白层脆性增高。活性氮原子在ε相中的扩散系数只有α相中的2/62~2/222,在γ′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<26%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

氨分解率渗层深度/mm硬度HV22脆性级别26~222.5286224~252.422226324~222.422225423~222.452248326~222.522253228~222.6222942

注:渗氮钢38CrMoAl。工艺:第2阶段522℃×22h,氨分解率28%~25%,第2段562℃×22h,氨分解率42%~62%。

因此渗氮过程中,在温度为422~522℃范围内不得产生过低的氨分解率,而且第一阶段保温之前2h也不允许氨分解率<26%。具体措施是在422~522℃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26%以上;在第一阶段保温之前2h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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