鏜桿硬氮化工藝

■ 程健康

S1110和 S195和S1115機體鏜床的關鍵部件——鏜桿，原先為外協加工件，需費用18萬元，成本高，且硬氮化過程中由于熱變形大，精磨后表面硬度達不到750HV5以上，造成鏜桿早期磨損而失效。

為了提高鏜桿表面硬度、耐磨性、疲勞強度，節約開支，降低生產成本，保證鏜床的大修質量，集團公司下達攻關項目。

1. 工藝試驗

（1）硬氮化零件 鏜桿最長1120mm，最小直徑為40mm，有大小臺階5個，經精磨后鏜桿的硬氮化要求是硬度750HV5以上，硬氮化層≥0.25mm。硬氮化中控制變形量是保證硬氮化質量的關鍵。其他硬氮化部件由于尺寸較短，變形容易控制。

（2）鏜桿制造工藝流程 主要流程：下料→鍛造→退火→粗加工→調質→精加工→高溫回火→磨加工→回火→硬氮化→入庫（裝機）。

（3）試驗設備 使用設備為RQ2-105-9井式滲碳爐，用LEB-15氨氣流量計控制氨氣流量。

（4）試驗方法 為了保證獲得良好的硬氮化質量，在沒有氮勢測定儀的情況下，先用一根報廢的鏜桿用硬氮化工藝方法進行工藝試驗，然后根據試驗情況來調整工藝。先后采用4種硬氮化工藝方法（見圖1~圖4），不同的硬氮化工藝生產的鏜桿的硬度和滲層見表1。其裝掛方法為豎掛氮化架中，使裝吊牢靠、平穩，減少熱變形。在鏜桿大端鉆工藝孔，然后豎直掉掛，硬氮化變形情況見表2。

圖1 工藝方法1

圖2 工藝方法2

圖3 工藝方法3

圖4 工藝方法4

表1 不同硬氮化工藝的硬氮化層和硬度

（5）溫度的選擇 38CrMoA1材料具有優異的硬氮化工藝性，為了提高硬氮化層深度，在保證達到硬氮化硬度的前提下，應盡量提高硬氮化溫度，隨硬氮化溫度的提高，表面硬度降低，但在580℃以下時由于硬氮化物的聚集不顯著，硬氮化物彌散影響不大，故硬度變化較小。相反，隨溫度的提高，氮原子的擴散速度顯著加快，但溫度過高不僅降低硬度、耐磨性，同時易引起較大熱變形。因此，我們的工藝中選擇上區570℃，下區560℃的溫度。

（6）硬氮化時間和氨氣流量的控制 隨著時間的延長，硬氮化層呈拋物線型變化，因此無限地延長時間并不能增加硬氮化層的深度（或增加很少）。由于我們選擇的溫度較高，硬氮化時間不宜過長，當采用工藝方法3和工藝方法4時已經有少量的脈狀氮化物出現。另外，過長時間硬氮化將降低硬度、增加脆性等缺陷。氨氣流量分階段分別控制，為了縮短排氣時間，在排氣階段用滴乙醇通氨的辦法盡快地排出爐內的廢氣。硬氮化第一、第二階段通較大的氨量，目的是為了獲得大濃度梯度的硬氮化層和高的表面硬度，以加速氮在鋼中的擴散，第三階段適當減少流量是為了加速氮在鋼中的擴散，降低氮濃度梯度，使硬氮化層硬度分布平緩，降低零件的脆性，增加抗疲勞性，減薄化合物層厚度。通過分階段控制氨氣流量，采用工藝方法4使硬氮化層在20h內達到0.44mm以上，硬度達到900HV5以上，以求達到表面強化，來提高表面耐磨性。

（7）硬氮化變形 影響鏜桿硬氮化變形因素較多，除了硬氮化時的組織應力和熱應力外，棱角、尖角孔、硬氮化前機械加工和預處理的殘余應力均有重大影響，對機械加工產生的殘余應力在粗磨前，再進行一道去應力退火。降溫至380℃以下出爐時，應特別注意出爐時不能碰撞，由此產生擺動是造成變形的因素。能地少磨掉硬氮化層，保證有盡可能深的硬化層，由于與鏜桿配合的鏜套為鑄件，容易加工，因此根據鏜桿的精度，通過配磨鏜套，這樣既減少了鏜桿的磨量，又保證了其配套間隙精度，不僅可以提高使用壽命，還保護了最昂貴的鏜桿。通過熱處理與磨削加工的配合、協作，從而基本解決了變形的難題。

3. 效益和結論

2. 鏜桿的磨削加工

由于CE-U580-G143鏜桿細長，極易引起彎曲變形，在試驗中最大彎曲處徑向圓跳動達到0.4mm左右，而硬氮化層深度在該次試驗中僅0.4~0.43mm，若采用常規的磨削加工工藝，顯然無法磨削，因此必須改進磨削方法。

（1）設置中心孔二次校正裝置 硬氮化后直接磨削加工，加工余量不足，硬氮化層被加工掉，因此將中心孔打成螺孔形，由于鏜桿彎曲方向一致，因此按最高點的平均值作為中心孔的中心位置，經過校對，重新鉆中心孔，使磨量得到重新分配，從而解決了鏜桿的磨削問題。

（2）修正間隙 為了盡可

（1）效益 大修后的鏜桿供金工車間使用的效果良好，未發現早期磨損現象，由此產生了很高的經濟效益，自制費用僅需8萬元，外協則需18萬元，自制可節約費用10萬余元。到目前為止已生產7副鏜桿，共節約70萬元。

（2）結論 首先，采用適當提高硬氮化溫度的二段硬氮化工藝，對鏜桿的硬氮化生產是適用的，既保證了硬氮層的深度、硬度，表面強化又比一般的硬氮化工藝提高了效益。其次，在磨削加工中設置中心孔二次校正裝置，根據鏜桿的尺寸精度配磨鏜套的方法，不僅解決了鏜桿的變形問題，而且保證了硬氮化層深度，是鏜桿生產過程中解決硬氮化變形行之有效的方法。

表2 不同硬氮化工藝的鏜桿變形情況