小編注:關于離子滲氮,你如果不懂或者想了解一下,這一篇文章是必看的。如果你懂離子滲氮,這篇文章也許會給你很大的參看價值,里面有相關設備改造的思路。
一、歷史及現狀
我國離子滲氮技術的發展,借鑒了德國離子滲氮技術開發和生產應用的經驗,自主研發和生產實踐形成了我國大規模離子滲氮工業應用的局面。一般認為我國離子滲氮的發展,從1966年湖南湘江機器廠研制成功的小型離子滲氮裝置開始,在20世紀70年代初開始工業應用,到80年代中期我國離子滲氮設備和工業應用規模已在世界上占據首位。
回顧五十多年來離子滲氮發展史,應該好好總結一下。我們是在不斷擴大離子滲氮自身優勢,包括離子激活表面活化、滲氮速度快、化合物層相可控、低溫滲氮、局部防滲方便、不銹鋼滲氮、設備容易適應不同尺寸和不同批量工件、節能環保等;不斷克服自身的不足,包括溫度均勻性(尤其是復雜形狀工件)、測溫準確性、空心陰極效應等;不斷在改進技術中發展和形成工業規模,從冷壁爐改進成熱壁爐。設備從自制到專業廠生產,從手動控制到計算機控制,工藝從單一離子滲氮擴展到氮碳共滲、多元共滲、滲金屬和滲涂復合處理。
20世紀90年代初,我國離子滲氮行業出現低谷,舊式冷壁離子滲氮爐數量快速發展和設備更新改造跟不上工藝發展的需要,但是卻催生了脈沖直流電源離子滲氮爐的誕生。21世紀風電產業的發展,又促進300~500A離子滲氮爐的大批投入生產,大大促進了離子滲氮的工業化。青島豐東公司開發的高品質離子滲氮爐和活性屏離子滲氮爐,對我國離子滲氮產業向高端發展有著重要意義。
我國伴隨著離子滲氮技術的發展形成了離子滲氮產業,總的評價我國現在離子滲氮產業的工業化水平,已能滿足工業產品的一般要求,但是離子滲氮高端質量產品的批量生產,從技術和裝備上都還不適應產業化規模要求。因此,現在處于離子滲氮產業平穩發展的關鍵時期,必須充分發揮離子滲氮自身獨有的優勢,弱化短處,在滲氮表面強化技術和工藝上形成一整套獨特的方案,開發出特種離子滲氮設備。工業應用應從“遍地開花”到重點突破,尤其向高端產品方向突破。
二、離子滲氮技術
1.離子滲氮技術特點
離子滲氮技術的獨有特點是離子轟擊、濺射清理和離子激活(Plasmaactivation)。離子激活是形成優質滲氮層的根本保證,激活擴散貫穿在離子滲氮過程始終。離子激活使NH3、N2、H2原子分解產生活性離子,同時離子激活陰極工件表面產生大量微觀缺陷和活化表面,在活化表面上反應形成氮化物層,因此控制和調整離子激活條件是極其重要的。深入研究輝光放電的轟擊加熱、濺射反應和激活效應,對開發和完善離子滲氮工藝很有意義。
我們在1982年研究了離子滲氮化合物層的形成過程,發現離子滲氮與氣體滲氮由于形成化合物層的機理不同,產生的化合物層相結構也不同。如圖1、圖2所示,38CrMoAl鋼離子滲氮化合物層由γ′+ε+α相組成,以γ′相為主,表面會有約25%α相,而氣體滲氮化合物層由ε+γ′相組成,表面不含有α相。圖3表明,如果預先經過氬氣4h離子濺射激活處理,再經550℃×6h離子滲氮處理后,表面γ′相從55%降低到45%,表面α相從25%增加到42%,ε相從20%降低到13%,可見離子濺射激活處理的試樣,滲氮時表面化合物層中α相數量增加,ε相減少,形成以γ′相為主和夾雜著α相的化合物層,有利于次表層氮的擴散,加速了擴散層的形成。
圖1 38CrMoAl鋼離子滲氮后化合物層各相的分布
圖2 38CrMoAl鋼氣體滲氮后化合物層各相的分布
圖3 濺射處理和離子滲氮后化合物層各相的分布
離子激活技術(Plasmaactivated technology)的應用:
(1)離子滲氮的后氧化
離子滲氮化合物層上形成致密的Fe3O4和Fe3(NO)4氧化層,可以同時提高滲層的耐腐蝕性和耐磨性。采用離子激活技術可以在離子滲氮化合物層表面產生大量微觀缺陷和表面活化,在激活擴散過程中表面化合物發生轉變ε- Fe2-3(NC)→Fe3(NO)4,Fe3(NO)4長大,形成致密的Fe3O4滲氮層。
(2)氣體氮碳共滲表面的離子激活
德國Metaplas Ionon在1993年收購了KlocknerIonon后,利用科魯克諾爾離子公司在離子滲氮技術方面的優勢,把離子激活應用在氣體氮碳共滲上,使氣體氮碳共滲后的表面,經過離子激活后產生大量微觀缺陷和活化,接著進行氧化,結果產生一個結合力很強的致密氧化層,這一工藝在歐洲已經大量應用。汽車球頭銷氮碳共滲后氧化的大批量生產是最成功的一例。SulzerMetco公司于2001年收購了MetaplasIonon,并把這一業務擴展到中國,于2008年在上海批量生產。
(3)韌性化合物層
大多數零件的滲氮,都要求形成一定厚度的化合物層,但由于滲氮化合物層脆性較大,往往限制了滲氮的應用。利用離子激活技術,可以形成γ′或γ′+α組成的高韌性滲氮化合物層,大大推進了離子滲氮在高端技術要求方面的應用。
(4)不銹鋼和高合金鋼
這類鋼表面有較致密的氧化膜,它阻礙滲氮時氮原子的擴散滲入,并且難以形成均勻的優質滲氮層。離子激活技術可確保利用離子轟擊的濺射清理作用,清除表面的鈍化膜,并通過離子激活使氮原子順利進入表面內層,形成均勻的滲氮層。
2.離子滲氮質量
離子滲氮技術發展,針對離子滲氮質量應更新觀念,孤立地控制滲氮層的硬度與層深,限制了離子滲氮技術的全面發展。
為此,我們提出了離子滲氮質量的三層理念。
(1)化合物層
在滲氮過程中利用化合物層的形成可加速擴散層的形成。滲氮后形成滲氮層表面的化合物層是脆性相,合理地控制化合物厚度和相結構,可以有效地提高滲氮表面耐磨性和耐蝕性,并可有效地減少化合物層脆性,適應不同零件的各種表面性能要求,提高滲氮件的強韌性和抗疲勞性。
(2)擴散層
選擇合適材料和工藝可以得到無脈狀組織的優質強韌化擴散層,滲氮層強化主要作用是擴散層,高度強化的擴散層表現為良好的硬度梯度和最佳的表面應力狀態。擴散層深度是強化的另一重要指標,重載負荷下的滲氮擴散層應加厚,但是增加擴散層深度,會增大滲氮工件變形量。
(3)基體
滲氮基體組織及其均勻性是影響滲氮氮原子擴散和形成彌散強化相與良好擴散層的關鍵之一,常用調質鋼基體合金元素的均勻分布,金相組織無偏析是形成優質擴散層的重要條件。基體強化不脆化是提高滲氮件承載能力基礎,基體的組織和應力狀態影響滲氮件整體性能。
因此,綜合控制化合物層、擴散層和基體,充分發揮每一層的有利作用,以實現有效控制滲氮質量,獲得優質強韌化滲氮件。
對滲氮結構零件的服役條件分類,至少有以下6種:
①只要求零件表面耐磨。
②要求零件表面耐磨兼抗疲勞性。
③要求零件表面耐磨兼耐蝕性。
④要求零件在重載下耐磨和較長使用壽命。
⑤要求零件在輕載交變接觸應力下長壽命工作。
⑥要求零件在重載交變接觸應力下長壽命工作。
根據上述服役條件,可以對滲氮零件提出性能要求并進行主次排序:
①耐磨性。
②抗疲勞性。
③耐蝕性。
④韌性。
⑤強度。
針對零件不同的服役條件,滲氮零件必須綜合考慮滲氮化合物層、擴散層和基體強韌性的合理配置,充分發揮離子滲氮離子激活的優勢,把三層理念充分運用到制定滲氮工藝中,提出了淺層滲氮、深層滲氮和深層滲氮硬化工藝,還有無化合物層、無脈狀組織和韌性化合物層等特種離子滲氮工藝。
離子滲氮工藝應以性能優先,優先保證零件服役條件對性能要求排序中主要性能的要求,所采用的工藝應以低溫優先,可實現離子滲氮的優勢,獲得優質滲氮層和強化的基體。以42CrMo鋼為例,基體290~320HV,為達到滲氮層深0.40mm以上,可選450℃×50h,或480℃×30h或500℃×20h;為達到滲氮層深0.20mm以上,可選450℃×30h,或480℃×20h,或500℃×10h。
離子滲氮將以微變形、高性能、廣應用和環保好的優勢不斷向前發展。
三、離子滲氮設備
離子滲氮設備包括離子滲氮爐、輔助設備和工藝裝備。
1.分類
離子滲氮爐按爐型分為堆放工件的鐘罩式爐,吊掛工件的井式爐和側端開門的臥式爐。我國學者劉志德在20世紀80年代首次開發了臥式和立式結合的多室爐新爐型,成功地用于離子滲碳和離子滲氮。離子滲氮爐按加熱方式可分為冷壁結構和熱壁結構兩類。早期離子滲氮爐多為冷壁結構,工件溫度不均,測溫不準是設備弊端。隨著近年來大多采用熱壁結構,上述缺陷基本得到解決,結構更加完善,可以分區控溫并進行對流均熱和快速冷卻;脈沖直流電源解決合理功率匹配供電,并有效限制弧光放電和空心陰極放電,實現密裝爐和改善溫度均勻性。
(1)冷壁爐
普通冷壁離子氮化爐采用雙層水冷壁,內設雙層隔熱屏,隔熱減少熱損失,隔熱屏內壁溫度一般在100~150℃,工件與內壁溫差在350~400℃,溫差大、熱損失大是造成工件溫度不均勻的重要原因,靠合理裝爐可調整工件溫度均勻性。
普通冷壁爐爐溫不均,上低下高,外低內高,如果采用冷氨供氣,由于氨分解吸熱更加劇了工件溫度不均,因此合理裝爐和正確供氣,對冷壁爐滿裝爐和長工件可以改善溫度均勻性。對于單件或小批量生產,可利用冷壁爐內爐溫不均和爐溫分布特點處理不同質量要求的不同工件。
經過改進的冷壁離子滲氮爐和采用完備的技術保障,也可達到先進設備水平,德國Nitrion技術公司具有三十多年冷壁爐制造和使用經驗,正在全球推銷冷壁離子滲氮設備和技術。
(2)保溫式熱壁爐
雙層水冷壁內去掉隔熱屏,改為耐火材料保溫層,由于保溫層蓄熱和隔熱,使爐內保溫層內壁表面溫度達到300~450℃,大大減少了與工件之間的溫差,實用結果大大改善了工件溫度均勻性。
(3)輔助加熱式熱壁爐
在真空室內或外設置輔助電阻加熱源,用以加熱工件和調整工件溫度,是目前最常用的熱壁爐。我們研制了一種輔助陰極元件加熱的可調溫的熱壁爐對改造國內近千臺舊式冷壁離子滲氮爐,達到接近輔助電阻加熱的熱壁爐的效果,有推廣價值。
2.輔助陰極加熱式熱壁爐
(1)現狀
國內近千臺老式冷壁爐多數在使用,適用于單件小批量生產,靠手工和技巧控制質量,但很不穩定,對大批量生產、滿裝爐、混裝爐和長工件難以保證質量穩定和可靠。改造這些老式冷壁爐迫在眉睫。
(2)改造方案
改造方案力求簡單,原冷壁爐隔熱屏不動,不改變原有設備的直流電源,不需另加低壓交流輔助電源,只在爐內增加一個輔助陰極罩,中心增加一個輔助陰極柱(適用于大直徑爐膛),用輔助陰極元件加熱,形成新型熱壁爐,減少上下內外工件溫差,增加滲氮均勻性。
輔助陰極加熱元件為加熱管,內孔直徑10~18mm,長15~20mm,壁厚1~3mm,實物如圖4所示。加熱元件安裝結構如圖5所示。
圖4 加熱管外形
圖5 加熱管安裝示意
加熱管內孔尺寸選擇原則是在爐內工作氣壓下,保證不產生空心陰極放電現象,利用短管內孔輝光放電熱影響區疊加的加熱效應,使輔助陰極罩內表溫度達到400~550℃。加熱管內孔輝光放電熱影響區疊加實況如圖6所示。
圖6 加熱管內孔輝光疊加實況
加熱元件安裝的密度用以調節爐內上下或內外輔助加熱功率,達到改善溫度均勻性的目的。
(3)設計原理
利用在爐內工件外圍或中心,布置同一直流電源的不同密度的輔助陰極加熱元件,對工件實行可調溫輔助加熱,輔助陰極罩內壁溫度達400~550℃,改善爐內工件內外和上下溫度均勻性。
①減少工件對爐壁溫差。
②輔助陰極罩加熱元件設置和罩結構布置,保證爐內從下至上輔助加熱功率加大,形成輔助加熱上高下低的變化溫度場,補償爐內上部工件溫度偏低的現象。
③充分利用輝光放電功率,一個直流電源完成輔助加熱和工件加熱兩項功能。
(4)試驗效果
我們在LDMZ-150型脈沖離子滲氮爐進行了輔助陰極加熱改裝試驗。
該爐底盤尺寸700mm,兩個爐節分別高度為1000mm和2000mm,組合高度3000mm。設計輔助陰極加熱罩內徑為660mm,單節高度為900mm和1050mm,兩節組合高度為1950mm。輔助陰極加熱罩內加熱元件和組裝結構如圖4和圖5所示,外形如圖7、圖8、和圖9所示。
圖7 單節輔助陰極罩外形
圖8 單節輔助陰極罩裝爐外形
圖9 雙節輔助陰極罩裝爐外形(Φ700mm×1950mm)
試驗方法:在直徑700mm爐底盤上從外緣沿半徑方向距100mm和200mm,各立放一根Φ50mm×810mm的圓棒,上面按圖10鉆4個直徑16mm×12mm沉孔,用于埋放40Cr鋼試塊Φ15mm×11mm,每個沉孔埋放一個試塊。另放一個Φ50mm×810mm圓棒作為配爐件(見圖11)。
試塊制備:Φ18mm×500mm,40Cr鋼棒料。
圖10 測試試塊安放位置
圖11 底盤上試塊安放圓棒位置
經850℃油淬和550℃回火后,調質硬度為28~32HRC,再加工成Φ15mm×11mm試塊,兩端面磨光后放入沉孔中作滲氮試驗。試塊滲氮后在直徑15mm外端面上測定不同載荷的維氏硬度,外圓柱面徑向磨去3mm后斷面測維氏硬度梯度。
試驗方案:采用單節輔助陰極罩和單節滲氮爐爐筒。每爐裝Φ50mm×810mm試棒3根,兩根用于安放試塊,試塊從上至下按順序編號,第一爐加輔助陰極罩,試塊編號外圈上至下:1、2、3、4;內圈5、6、7、8,第二爐不加輔助陰極罩,試塊編號外圈上至下:01、02、03、04;內圈05、06、07、08。兩爐處理工藝相同:520℃×8h,250Pa,NH3。
試驗結果:如表1、表2所示。
第一爐:520℃×8h,560V,21A,250Pa,0.94SLM陰陽極距45mm。
第二爐:520℃×8h,710V,5A,250Pa,0.92SLM陰陽極距175mm。
爐壁溫度測量:520℃×8h保溫階段,用插入熱電偶測量第一爐輔助陰極罩上部內壁溫度為528~516℃,第二爐隔熱屏上部內壁溫度為120~140℃。
表1 40Cr鋼試塊滲氮硬度(520℃×8h)
(此表可以點擊放大)
試驗結果分析:采用9.8N、98N、294N(1kg、10kg、30kg)不同載荷的維氏硬度值,代表滲氮層硬度梯度,可清楚顯示工件各處溫度不均帶來的擴散層硬化效果差異,溫度高硬度梯度較好,而溫度低,擴散差,硬度梯度差,表現為重載荷下維氏硬度顯示差異加大,只有溫度均勻,重載荷下維氏硬度值才能一致。
從表1數據可看出,有輔助陰極加熱的第一爐,無論是外圈還是內圈,無論是重載還是輕載維氏硬度都是均勻的,尤其表現外圈的均勻性大于內圈,因此試驗證明了輔助陰極加熱明顯改善了爐內工件溫度均勻性,而以外圈裝爐工件溫度均勻性最好。對比第二爐無論外圈還是內圈,上部試塊硬度明顯低于下部,維氏硬度載荷提高,硬度差距明顯加大,表明無輔助加熱造成上下試塊溫度差距很大,上部溫度明顯偏低,外圈上下試塊硬度差110HV30,內圈上下試塊硬度差102HV30,對比有輔助加熱的第一爐外圈上下試塊硬度差4HV30,內圈上下試塊硬度差17HV30。上述兩爐對比數據表明,輔助陰極加熱明顯改善了爐內工件的溫度均勻性。
表2 40Cr鋼不同位置試塊滲氮硬度梯度(520℃×8h)
(此表可以點擊放大)
直接用硬度梯度測試驗證了上述不同載荷維氏硬度測定的結果。表2表明,有輔助陰極加熱的第一爐內圈和外圈上下試塊硬度梯度0.15mm內硬度值基本一致,0.02mm與0.10mm最大硬度差只有60HV0.1,滲氮層深在0.35~0.50mm,說明內外和上下溫度是均勻的。而無輔助陰極加熱的第二爐上部60mm內試塊表面下0.02mm硬度681~748HV0.1,但表面下0.05mm硬度就降至542~586HV0.1,0.02mm與0.10mm最大硬度差達到347HV0.1,表明上部溫度偏低,擴散不足造成;表明爐內上下內外溫差很大,上下內外試塊硬度梯度差別很大,滲層差異也很大為0.15~0.40mm。
試驗和計算表明,單節輔助陰極罩耗電15~20A,雙節輔助陰極罩耗電30~40A,該爐最大輸出150A,雙節滿裝爐,輔助陰極加熱耗電大致為直流電源的1/5～1/3。這比電阻加熱的輔助加熱爐,另增加一個交流電源耗電要少,或者相當。常用150A輔助電阻加熱離子滲氮爐的電阻加熱電流為60A。
上述試驗揭示了冷壁離子滲氮爐溫度的不均勻性,表明采用熱壁離子滲氮爐是提高工件溫度均勻性的關鍵。
推廣價值:當前大多數舊式離子滲氮爐沒有輔助加熱,工件處理質量不均不穩,我們提出的可調溫輔助陰極加熱方案,簡單易行,適合改造用于滿裝爐、混裝爐、大批量生產和長工件處理的離子滲氮爐。改造投資少,見效快,對充分發揮舊式離子滲氮爐作用,提高離子滲氮產品質量有積極意義。
氮碳共滲及后氧化是20世紀末開發的一種耐磨與耐蝕兼優的復合熱處理技術,只有在熱壁爐中才能實現爐內氧化。舊式冷壁離子滲氮爐,由于存在冷壁無法進行爐內離子氧化處理,采用輔助陰極加熱的熱壁離子滲氮爐用于離子氮碳共滲及后氧化處理,可以實現均勻的氧化,如圖12所示Φ50mm×810mm長棒上下均勻氧化外觀。
圖12 Φ50×810mm圓棒離子氮碳共滲和爐內離子氧化后的外觀
四、溫度均勻性測量方法
熱處理爐有效加熱區溫度均勻性的測量方法已有國家規定(GB/T9452—2012,GB/T30825—2014),但是離子滲氮爐溫度均勻性的測量方法國內外至今沒有正式建立,嚴重影響了離子滲氮爐的生產和質量控制。
離子滲氮爐溫度均勻性不是指爐內空間的溫度均勻性,而是指有效工作空間內工件的溫度均勻性,這一點不同于普通熱處理爐,因此溫度均勻性的測量方法也應不同。我們所開發的可調溫輔助陰極熱壁離子滲氮爐,同時開發了一種測量溫度均勻性的方法,即用兩根標準測試件測量爐膛內區、外區、上區、中區和下區溫度均勻性,可用內外上中下6點試塊硬度法或用內外上中下6點熱電偶實測溫度法測定。
冷壁離子滲氮爐難以保證溫度均勻性±10℃,而熱壁離子滲氮爐可以達到小于±10℃。
當設備有熱電偶插入孔和條件具備時可用熱電偶法在測試件上測量。采用試塊多點放置,測量各試塊不同載荷維氏硬度值的差異可判斷工件溫度均勻性,在表2和表3中已有完整的數據。這是一個簡便的方法,建議通過試驗建立一套可行的標準測量方法。
五、結語
離子滲氮是等離子體熱處理的一個分支,更是表面熱處理的一個小分支,它具有微變形和特殊性能等特點,是其他表面熱處理無法替代的,充分發揮離子滲氮的潛力,充分運用離子滲氮技術的優勢,為我國經濟和國防建設貢獻一點力量,是我們同行的共識。
作者:杜樹芳,特邀滲氮專家
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