淺談愛協林連續爐曲軸氣體軟氮化

劉久成

為提高曲軸的疲勞強度，許多曲軸生產廠采用了氣體軟氮化技術，其中采用這項技術以山東曲軸總廠、濰坊柴油機廠、重汽集團復強動力公司等為典型代表。僅山東曲軸總廠，就擁有愛協林公司生產的連續軟氮化生產設備及5-2型氣體軟氮化設備10多臺，濰坊柴油機廠以高強的品質保障已經躍居同行業之首，其軟氮化設備也以愛協林連續軟氮化設備為主。而重汽集團復強動力公司也以采用了愛協林連續軟氮化爐而著名。其設備能力達到技術國內最先進、功率最大、裝爐量最多，同時比同行業設備更具有節能環保效應。下面僅根據在上述廠家所做的曲軸氣體軟氮化工藝試驗談談體會，供業界同行們參考。

一、氣體軟氮化簡介

為了縮短氮化周期，并使氮化工藝不受鋼種的限制，近年間在原滲氮工藝基礎上發展了氣體軟氮化和離子軟氮化兩種新軟氮化工藝。

1.軟氮化原理

軟氮化實質上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼在氮原子滲入的同時，還有少量的碳原子滲入，其處理結果與一般氣體滲氮相比，滲層硬度較滲氮法低，脆性較小，故稱為軟氮化。

2.軟氮化方法

軟氮化分為氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類。目前國內生產中應用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性氮、碳原子的氣氛中進行低溫氮碳共滲，常用的共滲介質有尿素、甲酰胺、氨氣和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發生熱分解反應，產生活性氮、碳原子并被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。

二、曲軸氣體軟氮化工藝過程

國內生產曲軸采用的典型材料為45鋼和42CrMoA。

曲軸氣體軟氮化與處理其他軟氮化零件相類似，其工藝過程一般要經過前清洗、升溫、保溫、冷卻、后清洗等5個階段，包括出裝爐。不同的廠家在氣體軟氮化工藝上略有不同。

1.前清洗工藝

待處理零件裝爐前應通過清洗使零件表面清潔無油，目前采用的清洗方法主要有下列方法：高溫蒸汽加清洗劑洗滌，然后高溫蒸汽漂洗滌；自動清洗機清洗；汽油擦洗。

清洗的好壞將直接影響曲軸的處理質量和處理周期。如果曲軸表面臟，處理后的曲軸表面附著很多炭黑，既影響產品外觀又影響產品質量。經改進清洗工藝后，處理質量大大提高。據實際經驗來看，表面清潔易形成連續厚度較為均勻的化合物層，反之則不易形成連續和厚度均勻的化合物層。而在氣體軟氮化時化合物層對硬度、耐磨性及抗疲勞性能有較大貢獻。本文的第三種方法是在生產條件不具備時的變通方法，僅適用于小規模清洗。而愛協林公司生產的設備則以其獨特的專利發明“真空清洗”為主，其清洗時間短，效果非常理想，已達同行業清洗效果之首，而且真空度近乎完美，其抽真空采用循環水，近乎零廢水。其開關門采用壓縮空氣控制，更具有節能環保效果。

2.預氧化工藝

為保證零件性能的綜合要求，在氣體軟氮化之前一般還需要進行預備熱處理，氣體軟氮化的預熱溫度一般取400～490℃，保溫1h左右，去除工件表面油污、油脂，并在表面形成一層氧化物，使（合金）氮化物緩慢形成，使滲層更加均勻。根據零件易變形程度，選擇適當的升溫速度并應在預備熱處理使組織充分均勻化。愛協林連續軟氮化預氧化爐裝爐量大，設備結構直觀明了，外表美觀，爐內加熱溫度均勻，且控制精度高。

3.軟氮化工藝

氣體軟氮化工藝參數一般為：平均升溫速度100℃/h；保溫溫度為540～570℃；保溫時間為3～4h。

（1）軟氮化溫度的選擇范圍及控制 對于碳鋼或鑄鐵或低合金鋼，人們常采用氣體軟氮化（低溫氮碳共滲）技術。大量的實踐表明：氮化層的硬度和滲層與溫度、時間、濃度有極值關系。在鐵氮碳三元相圖中，同素異晶轉變點略有降低，其等溫截面約降至575℃。當溫度高于575℃時，隨著溫度的升高，滲層和硬度迅速下降，高于600℃時，滲層幾乎完全消失。為取得較好的氮碳共滲效果，氣體軟氮化的控制溫度一般取570℃（高于三元共析點）。表層中形成含氮奧氏體，快冷時形成含氮馬氏體，使表面形成高硬度，因此軟氮化易采用快冷。軟氮化前期（約3h）屬強滲階段，在表層形成高氮勢相ε，提高滲速，而后進入擴散階段，降低表面氮含量，減小脆性。愛協林溫控裝置均采用國際最先進的自動控制裝置，其爐溫均勻度強，控制精度高，一般穩定精度可控制在溫差1℃左右，大大提高了軟氮化工藝效果。

（2）軟氮化工藝氣體比例流量 強滲時NH3、CO2、N2的比例一般為55:5:40，通氣量一般為爐膛體積的1.5～2倍。適當提高NH3含量，可以加大滲層深度；適當提高CO2含量，可以提高工件表面硬度（若采用HV10測量，則對表面硬度影響的因素是軟氮化前基體硬度，擴散層深度，白亮層硬度。45鋼要求軟氮化前基體硬度應＞200HBW）。擴散時NH3、CO2、N2的比例一般為40:5:55，通氣量一般為爐膛體積的1～1.5倍。

爐內氫含量：強滲區氫含量10%～18%以上（新爐氫含量偏低）；擴散區氫含量8%～13%以上（新爐氫含量偏低）。

烘爐工藝：每次新起爐裝工件之前應進行空滲，空滲時間6～12h，氫含量達到10%以上。新爐子連續使用一段時間（3個月）后，應進行空滲。溫度600℃保溫12h以上，只通少量氮氣，維持爐壓即可（240～300Pa）獲得最佳的硬度和滲層。

4.軟氮化后冷卻工藝

為使曲軸有較好的氮碳共滲效果，氣體軟氮化的控制溫度一般取570℃（高于三元共析點）表層中形成含氮奧氏體，軟氮化后快冷時形成含氮馬氏體，使表面迅速形成高硬度，所以軟氮化后易采用快冷。愛協林連續軟氮化冷卻采用油冷卻，其設備采用完全自動控制，由推料機構直接從軟氮化爐體內推到油冷升降臺上，自動降到油槽冷卻。冷卻采用雙攪拌冷卻，一般快攪取5～6min、1300r/min。慢攪取10min左右、750r/min。淋油取5min左右。冷卻后一般曲軸都會大小產生變形，關于變形只要時效處理好（2～4h），均勻升溫就可保證變形較小，濰坊柴油機廠在軟氮化曲軸軸向圓跳動控制方面做的就比較好。

5.軟氮化后清洗工藝

處理后零件應通過清洗使零件表面清潔無油，目前采用的主要清洗方法有：高溫蒸汽加清洗劑洗滌，然后加高溫蒸汽漂洗滌；自動清洗機清洗；汽油擦洗。

愛協林后清洗設備為完全自動清洗裝置，清水或堿水清洗溫度一般取60～70℃。其設備分3個區，即堿水區、清水區和烘干區。其清洗自動化程度高，清洗效率高，清洗效果好。

三、實例示意

爐子構造及控制面板見圖1。工藝參數設置見附表。試驗試塊金相組織見圖2。

615/67軸檢驗結果：連續爐WD615/67，白亮層深度0.026mm，滲層硬度335HV10，疏松等級1級，脆性1級，氮化物形態1級。

圖1

圖2

工藝參數設置表

615/68軸檢驗結果：連續爐WD615/68：白亮層深度0.024mm，滲層硬度468HV10，疏松等級1級，脆性1級，氮化物形態2級。

四、結語

曲軸產品采用氣體軟氮化工藝，在技術上是比較先進的，軟氮化質量要優于傳統的軟氮化技術，在設備使用過程中發現的一些問題也較易得到解釋和解決。20140416