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采煤機掘進(jìn)機內齒圈滲氮處理及工藝

2016-03-31 10:14:16

 采煤機掘進(jìn)機內齒圈滲氮處理及工藝


        滲氮又稱(chēng)氮化,指使氮原子滲入鋼鐵工件表層內的化學(xué)熱處理工藝,其目的是提高零件表面硬度和耐磨性,以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。它是利用氨氣在加熱時(shí)分解出活性氮原子,被零件吸收后在其表面形成氮化層,同時(shí)向心部擴散。氮化通常利用專(zhuān)門(mén)設備或井式滲氮爐來(lái)進(jìn)行。氣體滲氮在1923年左右,由德國人Fry首度研究發(fā)展并加以工業(yè)化,目前滲氮從理論到工藝都得到迅速發(fā)展并日趨完善,適用的材料和工件也日益擴大。由于經(jīng)滲氮處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐高溫性、抗咬合性、抗大氣和過(guò)熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力,并降低缺口敏感性,與滲碳工藝相比,滲氮溫度比較低,因而工件畸變小,已成為重要的化學(xué)熱處理工藝之一,廣泛應用于機械、冶金和礦山等行業(yè)的齒輪、凸輪、曲軸、工具、冷作模具、熱作模具等零件和產(chǎn)品的表面處理。

一、氮化常用材料    
  傳統的合金鋼材料中的鋁、鉻、釩及鉬元素在滲氮過(guò)程中,與初生態(tài)的氮原子接觸時(shí),就能生成安定的氮化物,尤其是鉬元素,不僅是生成氮化物元素,還能降低在滲氮時(shí)所產(chǎn)生的脆性。其他合金鋼中的元素,如鎳、銅、硅、錳等,對滲氮特性并無(wú)多大的幫助。一般而言,如果鋼料中含有一種或多種的氮化物生成元素,氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素,含有0.85~1.5%鋁的滲氮結果最佳,如果有足夠的鉻含量,亦可得到很好的效果,沒(méi)有含合金的碳鋼,因其生成的滲氮層很脆,容易剝落,不適合作為滲氮鋼。

二、滲氮過(guò)程控制
  1.滲氮前的零件表面清洗
  通常使用氣體去油法去油后立刻滲氮。

  2.排除滲氮爐中的空氣      
  將被處理零件置于滲氮爐中,并將爐蓋密封后即可加熱,但加熱至150℃以前須作排除爐內空氣工作。排除爐內空氣的主要目的是使參與滲氮處理的氣體,只有氨氣和氮氣兩種氣體,防止氨氣分解時(shí)與空氣接觸而發(fā)生爆炸性氣體,及防止被處理零件及支架的表面氧化。

  3.氨的分解率  
  滲氮是其它合金元素與初生態(tài)的氮接觸而進(jìn)行(初生態(tài)氮的產(chǎn)生,由氨氣與加熱中的零件接觸時(shí)零件本身成為觸媒而促進(jìn)氨的分解),雖然在各種分解率的氨氣下,皆可滲氮,但一般都采用15~30%的分解率,并按滲氮所需厚度保持4~10小時(shí),處理溫度保持在520℃左右。

  4.冷卻    
  大部份的工業(yè)用滲氮爐都有熱交換機,在滲氮工作完成后冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成后,將加熱電源關(guān)閉,使爐溫降低約50℃,然后將氨的流量增加一倍后開(kāi)啟熱交換機,此時(shí)須注意確認爐內壓力為正壓。等候導入爐中的氨氣安定后,即可減少氨的流量至保持爐內正壓為止,當爐溫下降至150℃以下時(shí),方可啟開(kāi)爐蓋。

三、滲氮工藝路線(xiàn)   
  鍛造退(正)火粗加工(調質(zhì)處理)精加工磨或研磨滲氮

  備注:由于滲氮層較薄,在要求有較高強度的心部組織時(shí),需先進(jìn)行調質(zhì)熱處理,獲得回火索氏體,提高心部機械性能和氮化層質(zhì)量

四、常用滲氮方式
  1.氣體滲氮  
  氣體滲氮一般以提高金屬的耐磨性為主要目的,因此需要獲得高的表面硬度。滲氮后工件表面硬度可達HV850~1200。氣體參氮可采用一般滲氮法(即等溫滲氮)或多段(二段、三段)滲氮法。前者是在整個(gè)滲氮過(guò)程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變,溫度一般在480~520℃之間,氨氣分解率為15~30%,保溫時(shí)間近80小時(shí)。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴、硬度要求高的零件,但處理時(shí)間過(guò)長(cháng)。多段滲氮是在整個(gè)滲氮過(guò)程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同保溫時(shí)間進(jìn)行滲氮和擴散。整個(gè)滲氮時(shí)間可以縮短到近50小時(shí),能獲得較深的滲層,但這樣滲氮溫度較高,畸變較大。

  還有以抗蝕為目的的氣體滲氮,滲氮溫度在550~700℃之間,保溫0.5~3小時(shí),氨分解率為35~70%,工件表層可獲得化學(xué)穩定性高的化合物層,防止工件受濕空氣、過(guò)熱蒸汽、氣體燃燒產(chǎn)物等的腐蝕。

  2.離子滲氮    
  又稱(chēng)輝光滲氮,是利用輝光放電原理進(jìn)行的。把金屬工件作為陰極放入含氮介質(zhì)的負壓容器中,通電后介質(zhì)中的氮氫原子被電離,在陰陽(yáng)極之間形成等離子區,在等離子區強電場(chǎng)作用下,氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊,離子的高動(dòng)能轉變?yōu)闊崮?,加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊,工件表面產(chǎn)生原子濺射,因而得到凈化,同時(shí)由于吸附和擴散作用,氮遂滲入工件表面。

  離子滲氮最重要的特點(diǎn)之一是可以通過(guò)控制滲氮氣氛的組成、氣壓、電參數、溫度等因素來(lái)控制表面化合物層(俗稱(chēng)白亮層)的結構和擴散層組織,從而滿(mǎn)足零件的服役條件和對性能的要求。

  3.氮碳共滲   
  又稱(chēng)軟氮化或低溫碳氮共滲,即在鐵—氮共析轉變溫度以下,使工件表面在主要滲入氮的同時(shí)也滲入碳,碳滲入后形成的微細碳化物能促進(jìn)氮的擴散,加快高氮化合物的形成,這些高氮化合物反過(guò)來(lái)又能提高碳的溶解度,碳氮原子相互促進(jìn)便加快了滲入速度。此外,碳在氮化物中還能降低脆性。

  常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法,處理溫度530~570℃,保溫時(shí)間1~3小時(shí)。早期的液體鹽浴用氰鹽,以后又出現多種鹽浴配方。常用的有兩種:中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽,但這些反應產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有:吸熱式或放熱式氣體加氨氣,尿素熱分解氣,滴注含碳、氮的有機溶劑,如甲酰胺、三乙醇胺等。

五、常見(jiàn)滲氮缺陷及其原因
  1.硬度偏低  
  生產(chǎn)實(shí)踐中,工件滲氮后其表面硬度有時(shí)達不到工藝規定的要求,輕者可以返工,重者則造成報廢。

  造成硬度偏低的原因通常有:
  設備方面:如系統漏氣造成氧化。
  材料方面:如材料選擇不合理。
  前期熱處理:如基體硬度太低,表面脫碳嚴重等。
  工件預處理不徹底:如進(jìn)爐前的清潔方式及清潔度。
  工藝方面:如滲氮溫度過(guò)高或過(guò)低,時(shí)間短或氮濃度不足等等。

  2.硬度和滲層不均勻 
  主要原因有:
  裝爐方式不合理。
  氣壓調節不當。
  滲氮處理期間溫度不均勻。
  爐內氣流不合理。

  3.滲氮后零件變形過(guò)大 
  變形是難以避免的,對易變形件,采取以下措施,有利于減小變形:
  滲氮前應進(jìn)行穩定化處理。
  滲氮過(guò)程中的升、降溫速度應緩慢。
  保溫階段盡量使工件各處的溫度均勻一致,對變形要求嚴格的工件,在工藝范圍內,盡可能采用較低的氮化溫度。

  4.外觀(guān)顏色有差別
  不同材質(zhì)的零件經(jīng)滲氮處理后表面顏色是略有區別的,零件出爐后首先用肉眼檢查外觀(guān)質(zhì)量,鋼件經(jīng)滲氮處理后表面通常呈銀灰(藍黑色)色或暗灰色(藍黑色),鈦及鈦合金件表面應呈金黃色。

  5.脈狀氮化物
  氮化(特別是離子氮化)易出現脈狀氮化物,即擴散層與表面平行走向呈白色波紋狀的氮化物。其形成機理尚無(wú)定論,一般認為與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴散有關(guān)。因此,控制合金元素偏聚的措施均有利于減輕脈狀氮化物的形成。工藝參數方面,滲氮溫度越高,保溫時(shí)間越長(cháng),越易促進(jìn)脈狀組織的形成,如工件的棱角處,因滲氮溫度相對較高,脈狀組織比其它部位嚴重得多。 


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