1. 液體氮碳共滲設(shè)備


 液體氮碳共滲設(shè)備一般采用帶有不銹鋼坩堝的井式電爐。坩堝內(nèi)鹽浴溫度波動(dòng)范圍不應(yīng)大于±10℃。


 液體氮碳共滲爐應(yīng)配備有抽風(fēng)裝置,能有效地將熔鹽產(chǎn)生的廢氣排出室外。


 除共滲爐外,應(yīng)有配套的預(yù)熱爐,將清洗后的工件經(jīng)過(guò)預(yù)熱,再裝人共滲爐,以防止工件人爐降低鹽浴溫度。預(yù)熱溫度一般為150~300℃。


 還應(yīng)配備熱油浴爐,可控制油溫在100~120℃之間。油浴爐既可作為共滲工件的冷卻,也可作為零件共滲清洗烘干后的浸油處理,以提高工件的表面質(zhì)量。


 對(duì)于有更高質(zhì)量要求的零件,共滲后可在350℃左右的氧化浴中冷卻,為此,應(yīng)設(shè)置氧化浴爐。氧化浴爐的條件類(lèi)似于共滲爐。



2. 液體氮碳共滲介質(zhì)


 由于毒性較大,直接使用NaCN和KCN已被限制,目前,多數(shù)熱處理廠(chǎng)或者使用由專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)生產(chǎn)的成品基鹽和調(diào)整鹽,或者使用以尿素、碳酸鹽為主的混合鹽。


 ①. 成品基鹽、調(diào)整鹽(再生鹽)


 這里的基鹽、調(diào)整鹽指由專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)將尿素、碳酸鹽為主的混合物經(jīng)熔化后再冷卻而獲得的固體塊狀或顆粒狀成品物,而不是只將幾種原料機(jī)械混合供貨的混合物。


 a. 基鹽的主要成分為


 CNO: 38%~41%


 CN: <0.1%


 CO2-3:15%~18%


 其余為以Na+、K+為主的金屬離子。


 熔點(diǎn)為410~430℃,熔融態(tài)比重約為1.75g/cm3.


 調(diào)整鹽則是比基鹽的CNO-含量更高的物料,主要用于補(bǔ)充、調(diào)整已經(jīng)使用過(guò)而且CNO-含量下降到工藝要求下限的鹽浴,使鹽浴中CNO-的含量恢復(fù)到工藝規(guī)定的范圍。


 b. 基鹽的熔化


 首次熔鹽時(shí),將基鹽放入坩堝內(nèi),放入量可控制在坩堝容量的1/3~1/2,將坩堝控制溫度設(shè)定在(520±10)℃的范圍,待坩堝內(nèi)基鹽全部熔化后,再緩慢放入其余基鹽(添加的基鹽不可太潮濕和太涼,以防迸濺),直到預(yù)定量的基鹽全部熔化,調(diào)整鹽浴溫度達(dá)到工藝要求的溫度,并在此溫度空載運(yùn)行約4h后方可投入生產(chǎn)。


 此時(shí)熔鹽浴的CNO-濃度為37%~40%。


C. 鹽浴的調(diào)整。


 當(dāng)鹽浴工作一定時(shí)間后,由于[N]、[C]的消耗,鹽浴中的CNO-降低,CO2-3升高,當(dāng)CNO-低于規(guī)定值時(shí),氨碳共滲效果減弱,滿(mǎn)足不了要求,而且,CO2-3的升高不但降低了鹽浴的流動(dòng)性,還會(huì)使?jié)B層表面產(chǎn)生疏松。所以,當(dāng)鹽浴中CNO-接近工藝規(guī)定的下限時(shí),應(yīng)用調(diào)整鹽對(duì)鹽浴進(jìn)行調(diào)整。


添加的調(diào)整鹽重量可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算


  G=1.15(Y-X) M/100


式中:G為需添加的調(diào)整鹽重量,kg;


    Y為預(yù)定調(diào)整后的鹽浴中CNO-百分?jǐn)?shù);


   X為調(diào)整前鹽浴中CNO-百分?jǐn)?shù);


   M為鹽浴重量,kg;


(鹽浴比重約為1.75g/cm3)


 例如,坩堝內(nèi)徑50cm,熔鹽深度80cm,則此時(shí)熔鹽重量為:M=1/4×3.14×502×80×1.75=274.75(kg)


調(diào)整前鹽浴中的CNO-=33%,即X=33


設(shè)定調(diào)整后鹽浴中的CNO=36%,即Y=36


則應(yīng)加調(diào)整鹽G=1.15×(36-33)×2745=9.5(g)


如果鹽浴中的CN-升高了,為降低CN-,可通入壓縮空氣,使CN-加速氧化而降低。當(dāng)然,這時(shí)鹽浴中的CNO-含量也有升高的變化。


根據(jù)經(jīng)驗(yàn),CO2-3可不化驗(yàn),因?yàn)橐话闱闆r下,CNO-%+CO2-3%≈56%.


②. 混合鹽


氮碳共滲用混合鹽指熱處理廠(chǎng)自行采購(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)的尿素、碳酸鹽及其他輔助用料,按比例混合的混合物料。也有的材料廠(chǎng)將按比例混合好的基鹽、調(diào)整鹽未經(jīng)熔化而提供給熱處理廠(chǎng),熱處理廠(chǎng)放入爐內(nèi)熔化后使用。


目前,自行配制的氮碳共滲混合鹽配方較多,這里介紹其中一種。


a.配方為


(NH2)2CO(尿素):Na2CO3:KCI:KOH=45:35:10:10


 上述配方中,(NH2)2CO和Na2CO3為主原料,二者通過(guò)加,熱引起化學(xué)反應(yīng),生成NaCNO,熔化時(shí)(NH2)2CO比Na2CO3,損失大一些,前者所占比例比二者平衡反應(yīng)需占比例偏大。配方中的KCI和KOH作為輔助用料加入,可提高鹽浴的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,也對(duì)共滲層質(zhì)量產(chǎn)生積極的影響。


 b. 混合鹽的熔化


 將按比例混合好的鹽加入坩堝,占坩堝深度的3/4左右,通電升溫,可定溫度在480~500℃,待鹽逐漸熔化變成液體,鹽面下沉?xí)r,再逐漸添加其余鹽,力求保持原鹽面高度,直至預(yù)定鹽全部熔化成液體,將溫度調(diào)至540~560℃保持4h后,再放工件開(kāi)始工作。


 這種混合散裝鹽的熔化比成品鹽的熔化更麻煩,熔化過(guò)程中有大量的廢氣產(chǎn)生,對(duì)周?chē)h(huán)境及操作者帶來(lái)不利的影響,另外,散裝混合鹽熔化時(shí)損失大、利用率低。


 c. 鹽浴的調(diào)整


這種鹽浴的調(diào)整相對(duì)于成品鹽鹽浴調(diào)整比較困難。


由于共滲零件時(shí)消耗了大量的[N]和[C],使鹽浴中的CNO-降低、CO2-3升高。CN-升高,鹽浴的流動(dòng)性變差,所以,調(diào)整鹽浴的目的就是提高CNO的含量,降低CO2-3的含量,使其恢復(fù)到工藝要求的范圍。所以,這種鹽浴的調(diào)整主要是添加(NH2)2CO,使其參加與鹽浴中的Na2CO3進(jìn)行反應(yīng),達(dá)到調(diào)整鹽浴成分的目的。添加尿素的重量,可以參照成品調(diào)整鹽的計(jì)算公式,但需將系數(shù)1.15變?yōu)?。


 用尿素調(diào)整鹽浴時(shí)要緩慢加入,且攪拌鹽浴,以保證添加的尿素能充分發(fā)揮作用,減少損失。


 為保持鹽浴的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,也應(yīng)適當(dāng)添加KCI和KOH。調(diào)整鹽浴時(shí),可降低鹽浴的溫度(500~520℃),待添加物全部熔化后,再升到工藝要求的溫度。



3. 液體氨碳共滲工件的預(yù)先處理


參見(jiàn)本章第一節(jié)不銹鋼氣體滲氮零件預(yù)先處理的有關(guān)內(nèi)容。



4. 共滲前的生產(chǎn)準(zhǔn)備


每爐應(yīng)配備檢查試塊,試塊應(yīng)與工件同材質(zhì)并經(jīng)過(guò)相同的工藝程序,表面粗糙度不大于Ra 0.4μm。


待滲工件表面不得有脫碳層、銹斑、劃痕、尖角、銳邊,表面最好經(jīng)過(guò)加工。


工件共滲面共滲后原則上不允許磨削,必需磨削時(shí),磨削量不應(yīng)大于0.05mm。


共滲工件應(yīng)選擇合適的工裝,細(xì)長(zhǎng)件應(yīng)吊掛。


裝爐前應(yīng)認(rèn)真檢查設(shè)備及控制裝置,保證其完好。



5. 液體氮碳共滲工藝及操作要點(diǎn)


 液體氮碳共滲的主要工藝流程是:工件清理-裝卡-預(yù)熱-共滲處理-冷卻-清洗 烘干 - 浸油。


 ①. 工件清理


   去除工件表面銹痕、油污,保證工件表面清潔。


 ②. 裝卡


   依據(jù)工件形狀選擇卡(掛)具,保證工件待滲面不互相接觸,工件擺放均勻。


 ③. 預(yù)熱


   工件人共滲爐前,應(yīng)經(jīng)300~350℃溫度預(yù)熱,保持時(shí)間不少于30min.


 ④. 共滲


  預(yù)熱后的工件裝入熔鹽浴爐內(nèi),應(yīng)保證工件浸人鹽浴中,工件之間保留空隙,工件裝入量一般控制在鹽浴重量的30%~40%.


  鹽浴成分中,CNO-的控制應(yīng)根據(jù)共滲目的調(diào)整選擇:以提高減摩、抗咬死性能為主要目的時(shí),CNO-最好控制在36%~40%之間;以抗磨損、提高耐磨性為主要目的時(shí),CNO-最好控制在32%~36%之間。通常,CNO-控制在34%~38%之間,各種性能均有較好的效果。


 CNO-含量不足會(huì)使?jié)B層深度不夠、硬度不足;CNO-含量過(guò)高,可能引起滲層表面質(zhì)量不良,產(chǎn)生疏松。


 共滲溫度;氨碳共滲在530~580℃溫度之間都可進(jìn)行,在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),根據(jù)材料種類(lèi)、工件使用功能等因素確定,不銹鋼液體氮碳共滲可選用560~570℃.共滲溫度太低,共滲層深度偏淺,硬度偏低;溫度太高,表面可能產(chǎn)生疏松,溫度超過(guò)600℃,有可能因CN-升高、CNO-下降使鹽浴報(bào)廢。


 共滲時(shí)間:隨著共滲保溫時(shí)間的加長(zhǎng),滲層深度增加,超過(guò)3h后,化合物層深度增加緩慢,而擴(kuò)散層深度則呈直線(xiàn)上升。共滲保溫時(shí)間還對(duì)滲層硬度產(chǎn)生影響,有試驗(yàn)表明,共滲保溫時(shí)間超過(guò)3h,滲層表面硬度有下降的趨勢(shì),且滲層硬度峰值隨時(shí)間的加長(zhǎng)內(nèi)移,說(shuō)明共滲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起表面化合物外層產(chǎn)生疏松。所以,不銹鋼氮碳共滲保溫時(shí)間應(yīng)依據(jù)材料及工件的大小,控制在60~180min。


 ⑤. 冷卻


  工件共滲完成后,出爐冷卻可采用空冷、油冷、水冷或氧化浴分級(jí)冷卻。


   空冷可保證工件有最小的冷卻變形。細(xì)長(zhǎng)件、薄刃具件、易變形件常采用空冷。但空冷時(shí)表面易現(xiàn)花斑痕,且表面清理較困難。


  油冷、水冷可使工件表面潔凈,在一定程度上提高了表面的抗疲勞性能,但易引起冷卻變形。


  氧化鹽浴分級(jí)冷卻可使工件表面生成Fe3O4薄膜,并將從共滲爐內(nèi)帶出的微量氰鹽氧化成無(wú)毒物,便于排放,同時(shí)也可徹底去除附著在工件表面的氰化物。


  共滲后采用氧化鹽浴冷卻也是下面談到的QPQ處理的必須工序過(guò)程。


 ⑥. 清洗


  冷卻后的共滲件應(yīng)先用熱水煮沸清洗,再用自來(lái)水沖洗,以去掉工件表面的殘鹽和微量氰化物。


 ⑦. 烘干


   清洗后的工件最好在100~200℃溫度下緩慢烘干。


 ⑧. 浸油


  烘干后的工件在熱機(jī)油中浸泡10~15min,以保證工件表面光亮。



6. 液體氮碳共滲質(zhì)量檢查


①. 外觀(guān)


  共滲并清洗后的工件呈深灰或灰黑色(不銹鋼或鑄鐵件),盲孔、狹縫處不得滯有殘鹽,工作面不得有碰傷、劃痕。


②. 硬度


  表面硬度用低負(fù)荷維氏硬度計(jì)檢測(cè),負(fù)荷量可采用1kg或5kg.檢測(cè)硬度應(yīng)達(dá)到技術(shù)要求,并注明采用負(fù)荷值,如HV1或HV5等。


③. 共滲層深度


  化合物層及擴(kuò)散層深度的測(cè)量采用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦的腐蝕劑和測(cè)量方法。


 一般用金相法測(cè)量到針狀氮化物終了處即為擴(kuò)散層。碳鋼件檢查時(shí)可將試塊在300℃保溫2小時(shí)后測(cè)量。


 也可采用斷面硬度法,即由試樣表面向心部測(cè)量顯微硬度(負(fù)荷100g).由表面測(cè)至顯微硬度比心部,即基體硬度高30~50HV處為滲層部深度。


④. 滲層脆性(滲層致密度)


 共滲層脆性可參照滲氮脆性檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)GB/T11354《鋼鐵零件共滲層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》。