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改善渗氮工艺的重要手段

2017-10-18 12:06 来源:中联钢
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在生产上经常要对合金钢零件采用渗碳淬火工艺处理,以达到提高表面强度和硬度、改善耐磨性的要求,但经过渗碳淬火处理后的钢件形变量较大,还需增加后续的加工处理等工序,很难最终加工成形。同渗碳处理的工件相比,经渗氮处理后的工件变形较小,能较好地解决上述问题,而且,渗氮层的耐磨性能比渗碳层好,硬度也较高。但是,渗氮处理工艺周期比渗碳长,以渗层0.5mm为例,用时要长达50h,如果将辅助时间计算在内,工艺时长将达3到4天,这将浪费大量的工时、电耗与氨气。另外,渗氮层比渗碳层浅,因而承载及抗冲击载荷能力也比较弱,必须使渗氮深层达到0.55mm以上,才能有效改善渗层的抗冲击及承载能力。 研究表明,在渗氮过程中添加稀土,能够有效提高渗速和渗层硬度,使得渗层加厚,并使组织改善,因而具有催化与微合金化双重作用。实践证明,稀土元素加入渗氮过程能够有效降低渗氮温度;能够大幅提高设备及工件夹具的使用寿命;能够提高零件的弯曲疲劳、接触疲劳强度和耐磨性,因此,添加稀土是使渗氮工艺提高到一个新水平、使产品质量大幅提升的重要技术手段。 稀土元素的上述作用是由于以下原因:稀土元素原子半径比铁原子大40%左右,一旦渗入到钢的表面,会引起周围铁原子点阵的畸变,进而使得缺陷密度增加,即产生新的更多的晶体缺陷,有利于氮原子的吸附和扩散,从而使间隙原子在畸变区富集。同时,稀土元素渗入到钢件表面后,会在短时间内在钢件表面形成一个高的氮浓度,从而形成一个高的氮势和浓度梯度,使得氮原子迅速向里扩散,进而使化学热处理过程明显加快,且使得渗层组织细化,渗层性能得到改善。 稀土在渗氮时的催渗效果远大于渗碳的效果,究其原因,是渗氮的温度通常在α-Fe相区,稀土元素在这一相区内的渗入阻力要远小于γ-Fe相区,稀土在渗氮时渗入量比渗碳时多,因而催渗效果较好。 稀土渗氮具有十分显著的节能效果和经济效益。采用常规渗氮工艺,一般的合金结构钢,当渗层0.3mm时,保温时间一般需要30h以上。如采用稀土渗氮工艺,在相同温度条件下配合使用循环加热的保温渗氮工艺,则保温时间只需14h,比常规渗氮技术的保温时间缩短16h,节省53%的用时,因而能够节省40%用电、减少氨气消耗约35%,减少废气排放约35%。渗层要求0.6mm时,可缩短保温时间约40%。我国是机械制造大国,采用气体渗氮的企业数以千计。据估算,如果全行业在渗氮过程中采用稀土催渗技术,可节电2.250×108kW·h,相当于9万吨标准煤,减少CO2排放8万吨,“节能减排”的功效十分显著。与此同时,钢件质量也将大幅度提高,强度、硬度及表面耐磨性能大大加强,实现高效利用及延长寿命。因此,大力推广稀土渗氮技术意义重大。

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