气体碳氮共渗零件形变分析和改进措施
史亚贝,邰 鑫
(河南工业职业技术学院机电工程系,河南南阳473009)
摘 要:气体碳氮共渗是在气体介质中,将碳和氮同时渗入工件表层,并以渗碳为主的化学热处理工艺。
相对于渗碳、渗氮,碳氮共渗具有一定的工艺优势,且易获得高的力学性能。
但生产中发现,此工艺在处理非均匀截面的套筒类零件时,易发生较大形变。
本文通过试验验证,着重分析零件变形原因,并提出相关改进意见。
关键词:气体碳氮共渗;套筒类零件;力学性能
中图分类号:T G161 文献标志码:A
Analysis and Improvement Measure of G as C arbonitriding P arts Deformation
SHI Yabei,TA I Xin
(Department of Electrical&Mechanical Engineering,He’nan Polytechnic Institute,Nanyang473009,China) Abstract:Gas nitrocementation is a mechanical heat treatment process of mingling carbon with nitrogen in the surface of workpiece under the condition of gas medium,which had certain processing advantages and can obtain better mechanical property compared with carburization,nitriding and nitrocementation.But sleeve parts of non-uniform section often gener2 ated large deformation when gas carbonitriding process had been used in production.So its deformation reasons were ana2 lyzed in this paper,and the improvement measures were presented.
K ey w ords:G as carbonitriding,Sleeve parts,Mechanical property
碳氮共渗是在一定温度下向钢的表层同时渗入碳和氮的过程,碳氮共渗习惯上又称作氰化。
一般钢铁零件均可用碳氮共渗处理,如普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢等。
经碳氮共渗处理后,零件的硬度、耐磨性和疲劳强度等力学性能都有所提高。
目前,中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗在生产中应用较广。
在零件加工过程中,发现以氮、氨、二氧化碳为介质的气体碳氮共渗工艺在处理变截面、阶梯状的薄壁零件时,变形很大。
生产过程中常常会遇到如图1a和图1b所示的2种变截面的套筒类零件,材料为20CrNiMo,壁厚十分不均,其中01号零件薄处l.6mm,厚处9.92 mm;02号零件薄处2.2
mm,厚处14.52mm。
气体碳氮共渗工艺为560℃×1.2h油冷,处理后检查尺寸时发现,有90%变形超差,形状呈喇叭口状。
图1 典型套筒类零件简图
参考文献
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作者简介:孙首雄(19832),男,硕士,焊接工艺工程师,主要从事焊接技术与焊接装备方面的研究。
收稿日期:2011年4月20日
责任编辑 王亚昆
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・《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 2011年 第7期
1 试验分析
对这2种零件进行碳氮共渗试验,统计结果表明,0l号零件薄壁端外径膨胀值为厚壁端的2～3倍,02号零件薄壁端外径膨胀值为厚端的1.8～2.6倍,2个零件的变形量在+0.021～+0.091mm范围内。
由于薄壁端比厚壁端外径膨胀值多,因此形成类似于喇叭口的形状。
试验结果如表1所示。
表1 气体碳氮共渗变形情况
零件壁厚/mm
外径膨胀值/cm
薄端(D处)厚端(d处)
01 1.6/9.92+0.039～+0.091+0.031～+0.046
02 2.2/14.52+0.045～+0.056+0.021～+0.025 根据上述试验统计结果,分析认为,影响套筒类零件变形的因素有以下3个方面。
1.1 化合物层组织的影响
工件经过气体碳氮共渗处理后,在表面形成多种相。
由于新相与基体相的密度差,导致工件尺寸胀大;同时,由于渗层本身很薄,而工件各部位的渗层厚度差别不大,因此由渗层组织引起工件尺寸胀大,通常是均匀胀大。
在壁厚均匀的套筒件气体碳氮共渗试验中得到了证实,因此不会由此而造成类似于喇叭口的形状。
1.2 热应力的影响
由于零件装炉温度较高,入炉后工件薄壁部分温度升高比厚壁部分快,体积膨胀也较快,从而形成热应力。
同时,由于薄壁部分温度上升较快,该部分金属的塑性提高也较快。
当热应力超过金属的屈服强度时,便产生外径胀大的塑性变形,从而导致零件薄、厚端外径膨胀值相差较大;反之,在冷却过程中,由于薄、厚冷却速度不同,也产生变形。
1.3 机械加工应力的影响
工件在气体碳氮共渗前经过机械加工,残存着内应力。
在气体碳氮共渗过程中,残余应力的分散也成为零件变形原因之一。
01号和02号零件的变形数据是经过多次验证的,因此对于上述2种零件不能采用一般气体碳氮共渗工艺。
为了减少变形,需寻找预防和减少变形的措施。
根据分析结果,针对影响零件变形的各种因素,研究出了控制零件变形的特殊气体碳氮共渗工艺,即高温回火→预氧化→预热→气体碳氮共渗→预冷却→油冷或空冷。
其中,高温回火的目的是为了消除机械加工应力;预氧化是为了减缓热应力及改善化合物层的均匀性;预热和预冷是为了减少加热和冷却时的应力。
用此法处理以上2种零件,其中01号零件的外径膨胀值在+0.006～+0.028mm范围内,02号零件外径膨胀值在+0.006～+0.027mm范围内,均在产品图样要求的尺寸公差之内,保证了最终尺寸要求。
试验证明,01号及02号零件采用特殊气体碳氮共渗工艺,有效地控制了变形;同时也获得了满意的表面硬度和硬化层深,表面硬度为400～550HV,硬化层深达0.12mm。
2 改进措施
根据试验统计结果以及零件变形成因分析,为提高零件的力学性能,提出以下5点改进措施。
1)工件要在精磨之前进行550～600℃高温回火,以消除机械加工应力。
2)根据工件气体碳氮共渗前后的尺寸变化规律,与产品设计人员共同提出零件气体碳氮共渗前工件精磨的尺寸公差。
3)气体碳氮共渗前必须进行预氧化,以减缓热应力的影响及改善化合物层的均匀性。
4)在保证达到技术要求的前提下,尽量缩短气体碳氮共渗工艺时间和减少扩散层深度。
5)出炉前工件应在炉内缓冷一定温度,停止供N H3和CO2,通N2保护。
3 结语
01、02号零件采用一般气体碳氮共渗工艺,变形很大,但采用了特殊气体碳氮共渗工艺后,变形问题得到解决。
生产试验表明,引起气体碳氮共渗变形的原因首先是热应力的作用,其次是机械加工应力和氮化物相形成的影响。
因此,在气体碳氮共渗过程中,必须严格控制加热速度和冷却速度以及工艺参数。
参考文献
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作者简介:史亚贝(19832),女,助教,主要从事数控技术、计算机集成制造方面的研究。
收稿日期:2011年2月16日
责任编辑 王亚昆
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《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 2011年 第7期。