氮化就是將鋼鐵零件置于活性氮介質(zhì)中，在一定溫度和保溫時(shí)間下，使其表面滲入氮元素的工藝過(guò)程。滲氮表面具有高硬度、高耐磨性及高的殘余壓應(yīng)力，并且零件變形小，同時(shí)具有良好的抗蝕能力。適合于要求變形小、尺寸穩(wěn)定性高、耐磨性好的零件，如精密機(jī)床上的齒輪、主軸等。本文論述的襯套就屬于這種零件。
襯套（見(jiàn)圖1）是分配機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，其加工的精度直接影響液壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況，從而影響操縱的穩(wěn)定性。
圖1 襯套結(jié)構(gòu)
1.問(wèn)題的提出
襯套的熱處理要求：進(jìn)行氮化處理，氮化層0.3～0.6mm,硬度≥600HV。襯套經(jīng)氮化處理后，在部件的裝配過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別零件出現(xiàn)了掉塊現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)檢查，掉塊均在尖角和邊角處出現(xiàn)。為了探究掉塊的原因，隨機(jī)在零件的掉角處進(jìn)行了線(xiàn)切割加工，取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)。零件試樣在進(jìn)行金相檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)氮化組織中出現(xiàn)了網(wǎng)狀氮化物（見(jiàn)圖2）。按照GB/T11354——2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》中的規(guī)定，評(píng)定氮化物網(wǎng)狀組織達(dá)到了5級(jí)，屬于嚴(yán)重不合格組織。
圖 2
2.原因分析
由于氮化生產(chǎn)我們是首次進(jìn)行，這方面的經(jīng)驗(yàn)不是很多，通過(guò)咨詢(xún)和查閱資料，分析產(chǎn)生此種異常組織的原因主要是：在滲氮生產(chǎn)過(guò)程中，爐內(nèi)的氮?jiǎng)葸^(guò)高，造成零件的表面氮原子聚集，先滲入的氮原子沒(méi)能及時(shí)向零件內(nèi)部擴(kuò)散，隨著零件表面滲入的氮原子不斷增加，在零件的表面聚集越來(lái)越多，最終逐漸形成了網(wǎng)狀組織。這種情況往往會(huì)出現(xiàn)在零件的尖角和銳邊，零件的實(shí)際情況也是如此。推斷氮化過(guò)程中出現(xiàn)氮濃度過(guò)高的原因大致有以下幾種原因：
（1）滲氮過(guò)程中，爐內(nèi)的氨分解率出現(xiàn)了波動(dòng)，沒(méi)能及時(shí)調(diào)整，或設(shè)備狀況出現(xiàn)異常，都有可能影響爐內(nèi)的滲氮?dú)夥?，從而?dǎo)致零件表面出現(xiàn)非正常的組織。
（2）滲氮開(kāi)始時(shí)，爐內(nèi)在建立起必要的濃度梯度后，氮原子通過(guò)表層向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。而當(dāng)爐內(nèi)的氨分解率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，在隨后的擴(kuò)散過(guò)程沒(méi)能及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，爐內(nèi)的氮?jiǎng)莞撸瑒?shì)必造成了在零件表面聚集大量的氮原子，并逐漸形成了網(wǎng)狀組織。
（3）由于零件表面的氮?jiǎng)葸^(guò)高，在冷卻過(guò)程中也易出現(xiàn)脆性相，使?jié)B層脆性增加。
（4）零件邊角若毛刺、銳邊過(guò)大，氮化過(guò)程中也會(huì)增加了氮原子聚集的傾向，從而出現(xiàn)網(wǎng)狀組織。
（5）液氨的含水量過(guò)高，影響氮化過(guò)程中爐內(nèi)的氮化氣氛，即爐內(nèi)的雜質(zhì)多，也會(huì)影響氮化的質(zhì)量。
3.氮化工藝的改進(jìn)及效果
根據(jù)以上的原因分析，在隨后的氮化工藝運(yùn)行中，將工藝進(jìn)行了適當(dāng)變動(dòng)，主要有以下幾點(diǎn)：
（1）氨分解率是滲氮工藝過(guò)程中一個(gè)重要參數(shù)，它的高低直接影響工件表面的吸氮速度。氨分解率對(duì)滲層硬度及層深的影響，主要表現(xiàn)在滲氮開(kāi)始的幾小時(shí)或十幾小時(shí)內(nèi)。因此，滲氮初期選用較低的氨分解率（即足夠高的爐氣氮?jiǎng)荩?，將?qiáng)滲階段的氨分解率調(diào)整為33%，以便在較短時(shí)間內(nèi)建立起必要的濃度梯度；擴(kuò)散階段的氨分解率調(diào)整為55%，這樣做的目的就是降低氮化爐內(nèi)的氮?jiǎng)荩瑴p少零件的氮化組織出現(xiàn)氮化物級(jí)別增高的可能性，并適當(dāng)?shù)亟档土慵牡捕取?/p>
（2）為了預(yù)防ε相脆性過(guò)大而不合格，將氨分解率調(diào)整為80%以上，進(jìn)行退氮處理和擴(kuò)散處理，目的是降低氮化爐內(nèi)的氮?jiǎng)?，控制零件表面的氮濃度，從而保證零件的氮化組織不出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)狀組織。
（3）為了避免零件在氮化過(guò)程中邊角處出現(xiàn)氮化物聚集的現(xiàn)象，將零件進(jìn)行鍍錫處理，并嚴(yán)格控制零件的鍍錫層厚度，保證鍍錫層的厚度在0.004～0.008mm。若鍍錫層鍍薄，則不會(huì)起到防滲作用；鍍層過(guò)厚，在氮化時(shí)，鍍錫層就會(huì)出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，影響氮化面的氮化質(zhì)量。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，鍍錫層的厚度控制在0.004～0.008mm，防滲效果是最好的。
（4）選用GB536—1988《液體無(wú)水氨》中規(guī)定的濃度為99.9%的液氨，避免氨氣在進(jìn)入爐內(nèi)產(chǎn)生水汽，從而影響爐內(nèi)的氮化效果。
（5）將輸氣方式由原來(lái)的單瓶連接變?yōu)閰R流排連接，這樣就能有效地避免換液氨瓶時(shí)出現(xiàn)雜氣渾入爐內(nèi)的現(xiàn)象，從而保證了氨氣供應(yīng)的連續(xù)性。
（6）根據(jù)氮化過(guò)程的各階段的實(shí)際情況，適時(shí)地調(diào)整設(shè)備的排氣開(kāi)關(guān)，控制氨氣的流量，調(diào)節(jié)爐氣壓力，以保證爐內(nèi)的氮?jiǎng)菘刂圃诤侠淼姆秶鷥?nèi)。
（7）根據(jù)零件的裝爐數(shù)量，適時(shí)延長(zhǎng)氮化的保溫時(shí)間，從而更好地保證氮化層深度。
通過(guò)采取以上幾種有效的技術(shù)措施，并在實(shí)際生產(chǎn)中，控制氨分解率的大小，逐漸摸索出了解決氮化問(wèn)題的辦法，零件的氮化效果得到了很大的提高。經(jīng)過(guò)金相檢驗(yàn)，氮化組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀氮化物，完全符合GB/T11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》中規(guī)定的要求，能夠達(dá)到二級(jí)，脆性檢查1級(jí)，零件的氮化硬度控制在780～840HV，完全符合圖樣中的技術(shù)要求（見(jiàn)圖3）。
圖 3
氮化后的零件在隨后的磨削工序和裝配過(guò)程中，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)掉塊、裂紋等缺陷。經(jīng)過(guò)試生產(chǎn)解決了氮化過(guò)程中出現(xiàn)的氮化組織不合格、防氮化物聚集的鍍錫層流淌等問(wèn)題，從而保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
4.結(jié)語(yǔ)
零件在進(jìn)行氮化處理時(shí)，由于氮化介質(zhì)氨氣質(zhì)量不穩(wěn)定，氮化爐內(nèi)的氨分解率的不穩(wěn)定，直接影響氮?jiǎng)莸姆€(wěn)定性。如果不及時(shí)調(diào)整氨氣的流量，氨分解率不能及時(shí)得到控制，零件的氮化組織就會(huì)出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，導(dǎo)致零件出現(xiàn)廢品。因此在氮化過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)控，嚴(yán)格控制溫度、氨分解率等工藝參數(shù)，保證氮化工藝的正常運(yùn)行。
