（机械工程专业论文）曲轴气体软氮化工艺实践中若干关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 我国汽车工业近几年飞速发展，产量持续增长，品种不断增加。发动机是汽车的 心脏，而曲轴更是发动机中的重要零件。曲轴主要承受复杂的弯曲扭转载荷和一定的 冲击载荷，轴颈表面还受到磨损。曲轴的服役条件决定曲轴必须具有较高抗拉强度、 疲劳强度，表面有较高的硬度及耐磨性，心部具有一定的韧性。曲轴主要的失效形式 是轴颈磨损失效和弯曲疲劳断裂失效。 本文以江铃j x 4 9 3 q 系列发动机曲轴为例，在运用连续推料式氮基气体软氮化炉 设备基础上，研究n h 3 + c 0 2 + n 2 气氛( 即氮基气氛) 下气体软氮化工艺影响因素， 为生产实践提供工艺改进依据，以及指导针对几种材料工件的工艺试验，如4 j 系列柴 油机曲轴( 4 9 m n v s 3 、q t 8 0 0 2 ) 部件；通过检验各零件气体软氮化后表面热处理质 量及投放市场多年表明，该工艺分析的结果能够指导对热处理设备故障状态下进行气 体软氮化工艺调整，有效防止产品批量热处理质量事故，极大地保证并提高了产品的 热处理质量；同时，送到一汽的技术中心材料部试验，结果表明，能够满足曲轴产品 技术要求。 本论文取得了以下主要研究成果： 本文重点研究了运用连续推料式氮基气体软氮化炉设备的气体软氮化工艺技术， 为在该设备基础上进行一定工艺改进、热处理质量监控提供理论指导。 本文还对气体软氮化工艺实践中关键技术之一在热处理设备故障状态下进行气体 软氮化工艺调整，解决曲轴热处理质量问题进行了详细的阐述，并提出解决对策。 本文还研究了气体软氮化工艺技术关键技术之一对曲轴热处理后变形质量控制技 术。 关键词：曲轴气体软氮化热处理设备故障变形 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yd e v e l o p e df a s td u r i n gt h e s ey e a r sw i t h c o n t i n u a li n c r e a s i n go fv o l u m ea n dv a r i e t y e n g i n ei st h eh e a r to ft h ev e h i c l e ，w h i l et h e c r a n k s h a f ti sac r i t i c a lp a r to fe n g i n e t h ec r a n k s h a f ts u f f e r sf r o mt h ea i r sp r e s s u r ea n d t w i s t i n go rt u r n i n gf o r c e ，a n di t sc r a n k ss u r f a c ei sa l s ow o r nf o rh i 曲s p e e d t h er u n n i n g c o n d i t i o no fc r a n k s h a f td e c i d e st h a ti tm u s tb eo fh i g ht e n s i l es t r e n g t h 、f a t i g u es t r e n g t h ，a s w e l la sg r e a th a r d n e s sa n dw e a rp r o o fo fi t ss u r f a c ea n dt o u g h n e s so fi t sc e n t e r t h em a i n f a i l u r eo f c r a n k s h a f ti sf a t i g u e d ，f r a c t u r ea n di t ss u r f a c ew o r n t h et h e s i st a k e st h ee x a m p l eo fj x 4 9 3 qs e r i e se n g i n ec l a i l k s l h a f ta n db a s e so nt h e p u s h e r - t y p ef u r n a c e t o s t u d yt h ep o s s i b l er e a s o no fn h 3 + c 0 2 + n 2a t m o s p h e r ei n g a s - h i t r o c a r b u r i z i n g ，a n dp r o v i d ep r o c e s si m p r o v e m e n tr o o t i n gt op r o c e s sp r a c t i c e ，a n d c o a c hv a r i o u sm a t e r i a lp r o c e s st e s t ，s u c ha s4 js e r i e sd i e s e lc r a n k s h a f t ( 4 9 m n v s 3 、 q t s 0 0 2 ) ；v e r i f i c a t i o no ft h es u r f a c eq u a l i t yb yg a s - n i t r o c a r b u r i z i n ga n dm a r k e tl a u n c h i n g p r o v e st h a tt h r o u g hp r o c e s sa n a l y s i s ，e q u i p m e n tf a i l u r ep r o c e s sa d j u s t m e n tc o a c h i n g ，i t p r e v e n t e db a t c hh e a tt r e a t m e n tq u a l i t ya c c i d e n t se f f e c t i v e l ya n de n s u r ea sw e l la si m p r o v e h e a tt r e a t m e n tq u a l i t y ；m e a n w h i l e ，f i r s tm o t o rt e c h n o l o g yc e n t e r st e s tr e s u l tv e r i f i e dt h a t i tc o u l dm e e tc r a n k s h a f tt e c h r e q u i r e m e n t m a i ns t u d ya c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h et h e s i sf o c u s e so ns t u d yo f t h ea p p l i c a t i o no f t h ep u s h e r - t y p ef u i n a c ea n dg a s n i t r o c a r b u r i z i n gt e c h ，w h i c ha l l o w sp r o c e s si m p r o v e m e n tb a s e so nt h ee q u i p m e n t ，a n dp r o v i d e s t h e o r e t i c a lc o a c h i n gf o rq u a l i t ym o n i t o r i n g w h a t sm o r ed e t a i l e de x p l a n a t i o na n dc o u n t e r n l e a s u r e sh a v e b e e ng i v e nf o ra d j u s t i n g t h ep r o c e s sa n dh e a tt r e a t m e n tq u a l i t yi s s u e ( o n eo fc r i t i c a lt e c h ) w h i c hi sc a u s e db y e q u i p m e n tf a i l u r ed u r i n gg a s n i t r o c a r b u r i z i n gp r o c e s sp r a c t i c e t h et h e s i ss t u d i e st h ed i s t o r t i o n q u a l i t y c o n t r o l t e c ha f t e rc r a n k s h a f t g a s - h i t r o c a r b u f i z i n g k e y w o r d ：c r a n k s h a f t g a s n i t r o c a r b u r i z i n g h e a t - t r e a t m e n t se q u i p m e n tf a i l u r e d i s t o r t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，陈文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：升卜哆 日期：) 卅年p 月b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密田。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：】小移 日期：加够年，2 月，一日7 指导教师虢肚占f 奎 日期：，o 中年t 2 月弓口日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 1 绪论 氮基气氛气体软氮化工艺是江铃股份有限公司发动机厂于1 9 9 5 年从奥地利艾协 林公司引进的，同时引进连续推料式氮基气体软氮化炉设备，该工艺主要用于对发动 机核心零件一曲轴进行表面化学热处理。 本文选题主要缘于江铃股份有限公司发动机厂热处理车间对氮基气氛气体软氮化 工艺的实际运用，及运用对该工艺分析结果指导在实际生产中所出现的问题：气体软 氮化变形问题，和在热处理设备故障状态下对气体软氮化工艺的影响而导致曲轴表面 质量缺陷问题。 1 2 课题目的和意义 江铃股份有限公司发动机厂于1 9 9 5 年从奥地利艾协林公司引进连续推料式氮基 气体软氮化炉及其工艺，当时，该设备与工艺主要是用于对曲轴进行表面化学热处理。 通过近九年生产，年产量已经由当年1 万多根益轴增加到近年来的7 万多根曲轴和3 万多个转向节，同时，产品也由1 9 9 5 年的单一材料的曲轴增加到目前的两种材料的曲 轴和转向节等多种产品。产能发生巨大提高，生产品种也日趋多样化，而汽车行业竞 争日趋激烈的今天，对产品的质量要求也越来越高，对汽车零部件生产厂家提出更高 要求，这就要求江铃发动机厂热处理车间不但保证生产中曲轴等零部件热处理的高质 量，而且要求其设备充分利用，同时设备运行稳定、安全可靠以充分保证产品热处理 质量，而且对在该设备基础上的气体软氮化工艺必须不断开发、改进，实现高效、高 品质、多品种、灵活生产，以适应市场需求。 在实际生产中，因热处理设备故障引起的表面热处理质量问题，经统计占热处理 不合格品的6 0 ，另外因蓝轴热处理后变形的占热处理不合格品的4 0 ，这直接影响 了江铃发动机厂的经济效益。对此问题，对该工艺在实际运用中关键技术进行研究十 华中科技大学硕士学位论文 分必要，为以后解决类似工程问题积累经验。 1 3 国内外的概况 氮碳共渗是在液体渗氮基础上发展起来的，由于处理温度低，一般为5 0 0 c 6 0 0 ( 2 ，过程以渗氮为主、渗碳为辅，故氮碳共渗又称为“软氮化”【1 1 。根据介质( 渗剂) 不同，可将氮碳共渗分为三种：气体氮碳共渗法，液体氮碳共渗法，固体氮碳共渗法。 气体软氮化是气体氮碳共渗，是工件在相应的气体介质中和一定的温度下同时渗入氮 和碳，而以渗氮为主的化学热处理工艺1 2 1 。 1 3 1 气体软氮化工艺发展概况 渗氮工艺的发展导致气体软氮化的发展，渗氮工艺亦称氮化，是钢铁热处理工艺 中广泛应用的表面硬化技术之一。其最大优点是处理温度低、畸变小、适用钢种多、 强化效果显著、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳，从而获得广泛应用。气体渗氮技术发明于本 世纪二十年代，三十年代后逐步获得广泛应用。二次大战后世界工业高速发展，使渗 氮从用钢、工艺方法、技术参数、氮浓度和组织控制，催渗剂等都有很大进展。直至 八十年代应用微机实现了氮势的自动控制，并使气体渗氮处理更广泛地应用于机床、 内燃机、航天航空、核工业等重要工业领域吼 1 9 2 3 年福莱先生于氨气氛中，对钢铁成功进行氮化处理，促进钢铁氮化处理的实 用化。1 9 6 5 年，人们使用真空容器，施加高电压，开发了氮化处理的派生方法，即采 用离子化的活性氮，开发成离子氮化，并获得了工业应用。 而在1 9 3 5 年德国d e g u s s a 公司开发了软氮化方法，即钢铁浸渍在溶解的含氰 基的混合盐中的氮化方法，即得到世界各国广泛采用。1 9 6 5 年，软氮化的派生方法问 世。该方法以生成与软氮化同等的氮化层为目的，是使用氨气及二氧化碳、氢气等混 合气氛的气体软氮化方法，工业上得到广泛应用，该工艺是氮化+ 渗碳，即氮碳共渗处 理。另外，为了解决关于氰盐对环境的危害、污染问题，1 9 7 5 年开发t f l ( 软氮化) s q s q p 工艺方法1 4 。 盐浴渗氮工艺由于研制出无毒氰盐浴而得以广泛应用，并且扩大了处理温度范围， 2 华中科技大学硕士学位论文 从6 3 0 c 至04 8 0 ( 2 或更低，另外和盐浴氧化法结合，得到更好的耐磨性、抗咬合性和耐 蚀性【5 】。最近二十年引入了能产生和盐浴渗氮类似的化合物层的许多方法。用气渗工 艺生成的氮化物层，耐磨性、抗咬合性受到它们化学成分和不同氮碳化合物的影响。 最近研究结果表明化合物层的长大过程和多孔性的形成与机理是不同的，它将导致更 先进的氮碳共渗技术 6 1 。 氮基气氛热处理是七十年代为应对国际能源危机，以节能、经济为宗旨发展起来 的一种新技术、新工艺，这一新技术的发展刺激和大大促进我国p s a 变压吸附碳分子 筛制氮工业的进步和发展；氮基气氛是以氮气为基本成分并加入适量的添加剂制备而 成( 炉内直接生成或炉外制各) 的一种可控处理气氛，近几年，国外已经出现几种氮 基热处理气氛的成分，在该气氛中，氮气可占炉内气氛的4 0 9 7 8 。自氮基气氛问 世以来，把它用于化学热处理过程一直是人们感兴趣的重要课题。近十多年来，不论 在理论研究上，还是在生产实践中，特别是氮基气氛渗碳、碳氮共渗和氮碳共渗方面 都有较大进展【7 】。目前，氮基气氛热处理已经在我国广泛运用，如神龙汽车公司襄樊 工厂热处理曲轴采用的碳氮共渗法【s 】、潍坊柴油机厂热处理分厂热处理曲轴采用气体 氮碳共渗法1 9 1 、江西南昌法昌表面处理技术公司引进法国技术热处理曲轴采用盐浴渗 氮工艺法等【i o 】。 1 3 2 曲轴热处理概况 曲轴主要承受复杂的弯曲扭转载荷和一定的冲击载荷，轴颈表面还受到磨损。对 于弯曲扭转载荷和一定的冲击载荷在曲轴重量、材料、尺寸及发动机一定情况下，其 太小为一致，但轴颈表面磨损情况与曲轴的表面热处理质量密切相关。为了提高曲轴性 能，改善表面质量，国内外经常采用的热处理方式是感应加热表面淬火或化学热处理( 离 子渗氮、气体渗氮、氮碳共渗处理、盐浴氮碳共渗处理、碳氮共渗处理等) 【l l 】；国内在 大量生产中，广泛采用感应加热表面淬火。现在多数采用半圈感应器对旋转的曲轴轴 颈加热，同时也对曲轴园角部位加热，提高耐磨性和疲劳强度：而汽车、拖拉机曲轴 往往采用氮碳共渗处理，处理速度快，工艺费用较低，热处理畸变小，能明显提高曲 轴耐磨性和疲劳强度，国内应用较多。神龙汽车有限公司对其轿车曲轴就是采用氮基 华中科技大学硕士学位论文 气体碳氮共渗处理，且其工艺采用的设备也是推料式连续炉，引进法国标致雪铁龙集 团的m e t z 和v a l e n t i e l 变速箱厂的，其处理温度相对较高，约为8 7 5 c 8 1 ，但对于 江铃公司发动机厂采用的氮基气体软氮化工艺及推料式连续炉在我国为首家。而且近年 来，许多国家从节能角度出发，热处理行业积极推广和提倡清洁热处理、低耗热处理和 精确热处理等先进技术。为提高曲轴热处理质量及实现环保节能生产，本文结合多年生 产实践，以及对气体软氮化工艺的研究，通过工艺试验，获得控制曲轴气体软氮化质量 的几个关键技术，实现本公司所采用的热处理工艺及设备具有以下优点： 1 热处理设备稳定情况下，产品热处理质量稳定，热处理不合格品率通常可以控 制在0 1 以下； 2 经过气体软氮化工艺处理的零件，即使加热到软氮化温度附近，硬度也不会降低； 3 热处理加工时间短，处理时间约为4 小时，而气体渗氮和离子渗氮长达十多小时； 4 化合物层脆性小，因经过气体软氮化工艺处理的零件化合物层含少量的碳( 一 般可达2 ) ，使其韧性增高； 5 适用范围广，气体渗氮( 尤其以提高耐磨性为目的时) 一般只适用于特殊氮化 钢，而气体软氮化适用于碳素钢、不锈钢、铸铁、粉末冶金材料等【1 2 1 ； 6 肩 源消耗少； 7 设备安全可靠。 1 4 江铃气体软氮化工艺实际应用中所面临的问题 江铃股份有限公司发动机厂于1 9 9 5 年引进以来，通过近九年生产，总结实践中通 常面临以下问题： 1 、环保问题：据1 9 9 6 年统计，机械工业企业能耗总量和电力消耗量分别占当年 工业企业能耗总量和电力消耗总量的7 4 和9 4 6 ，而制造过程中金属热加工工艺( 铸 造、锻造、焊接、热处理、表面处理等) 的消耗约占整个机械企业能耗的7 0 以上1 1 “。 金属热加工工艺既是耗能大户，又是废弃物排放大户，对环境造成很大污染，热处理 在耗能和排污方面占了相当的比例。因此，热处理在这方面有大量工作要做i i 。 废气排放可能引起大气污染，因本工艺生产中使用n h 3 、c 0 2 、n 2 ，开启炉门势 4 华中科技大学硕士学位论文 必有废气排放，根据国家环境标准，通过采用管道煤气燃烧、火镰密封方式将炉内废 气燃烧后，经过高温油烟机进行高空排放，并且由省市劳动卫生检测部门每年对车间 现场废气排放质量进行一次抽样检查，均符合国家环境要求( 如表1 1 所示) 。 表1 1 现场废气排放质量一览表 有害因素检测数据 检测时间 m g m 3 国标m g m 3 测定结果测试单位 n o n 0 2 n o n 0 2 南昌市职业 2 0 0 3 9 1 50 0 70 0 7 合格 病预防所 1 55 南昌市职业 2 0 0 4 8 2 0o 0 30 0 3 合格 病预防所 在能源消耗方面：国外文献报道，和吸热式气氛相比，本工艺所采用的氮基气氛 可节约有机化合物原料约2 5 8 5 【1 4 】。由于吸熟式气氛中含h 2 约4 0 左右，而h 2 的热导率约为n 2 或空气的7 倍。在氮基气氛热处理炉中，其炉衬主要被n 2 所饱和， 放可减少炉衬的热导损失，从而降低了能量消耗 1 5 1 ；目前，我国主要工业城市热处理 厂、点的能耗约为7 0 0 千瓦小时吨左右，而国外发达国家热处理能耗约为3 0 0 4 5 0 千瓦 ，j 、时吨左右，平均处理每吨工件的能耗是发达国家的2 3 倍【l “。而本车间在合 理安排生产，根据对气体软氮化工艺的研究，结合生产实际进行优化，计算出热处理 曲轴经济生产批量同时，实际能耗水平一般在4 0 01 8 0 千瓦j 、时吨之间，充分节约 能源。 2 、曲轴热处理变形问题：经过热处理的工件均存在变形问题，变形分为尺寸变化 ( 体积变形) 和形状畸变两种形式。造成这两种形式的变形原因有所不同，尺寸变形 归因于相变前后体积差引起的工件体积改变，形状畸变则是由于熟处理过程中，在各 种复杂应力综合作用下，不均匀的塑性变形造成的【1 ”。江铃股份有限公司发动机厂该 工艺运用多年来，曾经发生2 次曲轴气体软氮化处理后突然大量变形情况，经过热处 理后变形不合格品率高达1 2 ，经济损失巨大，针对该问题，组织进行实验分析，在 影响曲轴热处理变形几个关键因素之间分别进行工艺试验设计。 华中科技大学硕士学位论文 3 、连续推料式氮基气体软氮化炉意外故障雨造成曲轴热处理表面质量稳定性问 题：通常设备意外故障直接影响曲轴热处理后质量，不同的设备故障状态对产品的热 处理质量影响也不一样，必须根据设备故障情况对该工艺进行适当调整，从而如何防 范与挽救曲轴因设各问题引起的系列热处理表面质量问题。 1 5 本文的主要研究内容和论文结构 本课题的研究立足于现有的热处理设各，首先结合实际生产经验对氮基气氛气体 软氮化工艺进行研究，通过研究设各因素、工艺因素和材料因素分别对氮基气氛气体 软氮化工艺处理的产品表面热处理质量影响，获得对生产实践的理论指导；其次，通 过对实践生产中出现的曲轴热处理后变形问题进行研究，结合氮基气氛气体软氮化工 艺的三方面影响因素，对其中几个关键因素之间分别进行工艺试验，发现控制曲轴热 处理变形关键因素是曲轴毛坯材质及曲轴毛坯冷却速率控制；最后对该设备运行中发 生的一些故障而导致曲轴等产品热处理表面质量问题进行分析，模拟人为重现该设备 几种故障，根据工艺分析基础指导分别制定应对措施，从而如何防范与挽救曲轴因设 备问题引起的系列热处理表面质量问题。 本文的论文结构和主要研究内容包括有： 第一章简要介绍了本论文的来源以及相关背景，同时指出目前国内外的气体软氮化 的一些技术发展情况。之后又简单介绍该工艺在实际生产中的应用所面临的一些问题。 第二章本章首先结合氮基气氛运用，详细研究氮基气氛气体软氮化工艺三方面影 响，并得出适合于本公司实践生产运用的氮基气氛气体软氮化工艺参数。 第三章结合生产实际对氮基气氛气体软氮化工艺中因曲轴毛坯材料问题引起曲轴 热处理质量问题变形质量缺陷分析，并发现影响变形质量的主要原因，通过控制， 曲轴热处理后的变形不合格率比改进前大大的降低。 第四章首先介绍了连续推料式氮基气体软氮化炉设备，然后通过工艺试验获得对 实际生产中因设备故障导致的曲轴热处理表面质量缺陷预防办法，通过试验数据的对 比，以及之后的市场验证、一汽的疲劳性能试验和目前的正式生产运用证明了改进氮 基气氛气体软氮化工艺能够有效保证设备意外故障下曲轴热处理表面质量。 第五章对全文进行了总结与展望。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 氮基气体软氮化工艺研究 气体软氮化工艺的主要工艺是参照渗碳原理与气体渗氮工艺而开发的，传统的气 体软氮化工艺气氛主要为吸热式气氛( 即r x 气氛) 加氨气。它们之间的配比，典型 的是5 0 氨气+ 5 0 的r x 气氛。所谓r x 气氛，是由丙烷等富碳气体高温裂解后生成 c o 、h 2 和n 2 的还原性气体 1 8 】。 r x 气氛目前广泛应用与软氮化工艺。但在生产实践的同时也发现存在一些问题。 主要是r x 气氛来源是由丙烷等富碳气体高温裂解得到的，能量消耗和气体消耗大， 生产成本高。其次，i l x 气氛含有近5 0 的一氧化碳与氢气，在安全方面潜在危险很大； 在质量方面，由于c o 含量高、碳势高，会在工件表面生成脆性的碳氮化合物，在处 理过程中，由于碳势高而出现渗碳趋势，随之而来的因n h 3 分解h 2 ，它又会造成表面 脱碳，并使工件化合物层疏松严重，导致渗层组织异常【1 9 1 。 基于以上原因，促使人们来寻找更为合理、安全、成本低廉的气氛来代替r x 气 氛软氮化。江铃公司在规划发动机国产化项目时考虑到该机曲轴应进行软氮化工艺处 理以及大批量生产的特点果断地选用了氮基气氛软氮化工艺，同时采用奥地利艾协林 公司和江西电炉厂合作生产的连续推料式软氮化设备。 2 2 氮基气氛的设计 鉴于r x 气氛存在的缺点，考虑到气体软氮化主要是以渗氮为主。人们开始将燃气辐 射管中排出的废气来代替r x 气氛进行软氮化亦称d x 气氛软氮化。d x 气氛中主要含有 c 0 2 、n 2 ，这样用c 0 2 与氨气，氮气分别加入来软氮化是可行的。并且经过多年实践生 产验证，采用n t l 3 + c 0 2 + n 2 氮基气氛进行气体软氮化能够满足生产技术要求。 采用n h 3 + c 0 2 + n 2 气氛进行软氮化，存在以下基本反应为： 2 n h 3 = 2 n 1 + 3 h 2 华中科技大学硕士学位论文 c 0 2 - 4 - h 2 = c o + i - 1 2 0 h 2 + c o = c + h 2 0 以上分解出的活性原子 n 】、 c 】吸附在工件表面，并向内扩散。同时，随着其浓 度增加而生成氮的化合物及扩散层。未吸附在工件表面的【n 】、【c ，变成n 2 等分子， 形成气体等，不起渗氮、碳作用m l 。从反应方程式和反应动力学方面来分析c o 会很 明显地加速氨气的分解和提高渗氮气氛中氮原子活性，有利于化合物层的形成担u 。 n h 3 和c 0 2 的来源主要为瓶装气，而氮气的来源有两种，一种为液化氮气，另 一种来源于空分制氮的氮气，即利用碳分子筛制氮技术来进行空气制氮，其氮气纯度 比液氮纯度低，但若在碳分子筛制氮机后面加净化装置则可确保其纯度达到 9 9 9 9 9 5 。空分制氮的原料来源广阔、生产成本低，见表2 1 。 表2 1 软氮化热处理用气体生产成本比较田】 气体种类 成本比 备注 空分氮气 1 n 2 ：9 9 5 以上 液氮 7 n 2 ：9 9 9 9 以上 r x 气体 4 可燃气体 以空分氮气为l 系数进行比较 氮基气氛热处理具有以下优点田】： 能源消耗少，符合环保发展要求； 提高热处理炉的安全性； 质量方面，应用于气体软氮化处理时，工件表面无碳化物析出，改善r x 气氛渗 碳时无法避免的表面组织异常问题。 2 3 氮基气氛气体软氮化影响因素分析 氮基气氛气体软氮化的影响因素很多，但基本可分为设备因素和工艺因素、工件材 料因素，见图2 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 1 设备因素的影响 图2 1影响气体软氮化过程因素的示意图 主要包括软氮化室表面积、工装的表面积以及它们的催化能力。一般认为炉膛内 金属件与炉衬材料之表面积比以0 3 8 为最佳1 2 4 j 。 氨分解反应的催化剂一般以镍的作用最强，铁则次之。常规用的1 c r l 8 n i 9 t i 等材 料辐射管有一定的催化能力，但是在软氮化气氛中长期使用，若不定期地及时清理炉 膛，工件化合物层深度会随时间延长而逐渐变浅( 如图2 _ 2 所示) ，最大可减少2 0 ， 同时发现辐射管上会有氧化物产生，这些颗粒一般为f e 2 0 3 和f e 3 0 4 ，它们分散在炉膛 内，会增加氨气分解接触表面积、提高氨分解率，因大量氢气的生成会增大炉子的危险 性和降低渗氮持性值，使工件化合物层深度变浅而且变脆j 。 9 华中科技大学硕士学位论文 6 0 5 0 ；4 0 i3 0 堪 鑫2 0 1 0 0 81 21 6 2 0 2 4 化台物层深( 微米) 图2 2 化合物层深与氮分解翠关系 为了防止此现象，用含镍量超过6 0 的材料来制作辐射管可以消除这一影响，确 保化合层均匀，同时还可延长辐射管的使用寿命 2 6 1 。经过江铃多年生产实践验证，每 年仅需对炉膛清理一次，减少炉内粉尘，即能够保证产品质量。 氨分解率一般与炉内催化表面积相关，若不考虑工件粗糙度的影响及其变化，炉 衬材料和金属件之表面的催化作用几乎相同。假定除工件外的材料表面积为一个常数 而工件表面积为变量，则氨分解的有效表面积s 可分为常量s k 与变量s b 之和【2 7 】。 催化表面积与氨分解率存在一定关系，按照经验氮基气氛的氨分解率在2 8 到 3 5 之间最佳。 2 2 , 2 工艺参数的影响 主要包括工件总表面积、气氛、安全气与载气、冷却速率、处理温度、时间等影响。 工件总表面积： 工件总表面积一定时，气氛中各种气体的分压之和为常数 p = p n h 3 + p c o + p c 0 2 + p h 2 + p n 2 = 常数 一定浓度、温度下，氨分解率6 i 是混合气体流速d d 的函数【2 8 】： d d = f ( 1 s i ) 在多年生产实践中发现，连续控制混合气体流速、流量d d ，可以使氨分解率6 i 1 0 华中科技大学硕士学位论文 目；= = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 保持一常数； 而工件总表面积s b 与气体流速d d 之间也存在个比例关系： s b d d l 级，芯部晶粒度为1 5 - 2 级，同时可见先析铁索体己成网状分布，见图3 t 3 、3 4 、3 5 所示： 图3 3 曲轴芯部晶粒度1 5 - 2 级( 1 0 0 x ) 图3 4 曲轴轴颈表面晶粒度2 - 3 级( 1 0 0 x ) 2 6 华中科技大学硕士学位论文 图3 5 曲轴离表面约$ m m 处晶粒度 1 级( 1 0 0 x ) 夹杂物的取样部位在断口表面断裂源处，a 类夹杂3 级，b 类夹杂o ，5 级，c 类夹 杂0 5 级，d 类夹杂0 5 级，见图3 6 所示： 图3 6 断裂源处硫化物夹杂3 级( 1 0 0 x ) 机械性能： 检验断裂曲轴芯部硬度为h b 2 2 0 ，按照经验公式a b = 3 4 h b 可得o b = 7 4 8 n m m 2 ， 冲击韧性试样取样部位如图3 7 所示，采用1 0 1 0 5 5i l l l n 的金属夏比u 型缺口试样 2 7 华中科技大学硕士学位论文 离表面l o m m 处冲击方向由芯部向外时试验结果a k = 7 6 j c m 2 ，离表面3 0 m m 处冲击方 向由外向芯部时试验结果a k = 1 5 u c m 2 。冲击断口形貌为结晶状断口。 图3 7 曲轴机械性能取样图 断口分析： 断裂发生在第3 连杆颈与第1 i i 主轴颈之间的曲拐上，断口位置与主轴颈轴线约成 4 0 0 角，如图3 1 所示。 宏观断口如图3 8 所示，从图可见，曲轴的断口为一典型脆性断口，可见明显的 放射状线条及闪闪反光的小平面，裂纹源起于连杆颈与曲拐的过渡圆弧的表面上，最 后断裂区未见剪切唇。从断裂部位、裂纹扩展方向和断口形貌看曲轴的断裂主要是弯 曲应力作用的结果，断口结晶状闪点比较大，证明材料的韧性不良。 图3 8 曲轴宏观断口 微观断口的观察在日立s - 4 5 0 扫描电子显微镜上进行，脆性断口的特征不仅表现 华中科技大学硕士学位论文 在宏观断口上，也在微观断口上表现出来，如图3 9 所示，微观断口主要是解理断裂， 是沿一定解理面的断裂，且解理面较大。图中所示河流花样是解理断裂最典型特征， 图中还可见大量的二次裂纹存在。 图3 9 微观断口缩2 3 x ( 4 0 0 x ) 结果分析：脆性断裂是一种突然的断裂，危害极大，从以上分析可见： 晶粒粗大一该曲轴连杆颈表面8 m m 处晶粒超过1 级，芯部晶粒度达1 5 - 2 级， 均超过技术要求规定，钢的强度、塑性和韧性均将因晶粒粗大而恶化，尤其是冲击韧 性更趋向于明显降低； 曲轴韧性不足宏观机械性能a k 值较低，电子金相表明为解理断裂，均说明曲 轴韧性严重不足，影响其曲轴韧性不足原因主要是：晶粒粗大；铁素体近似以网状分 布，铁素体的塑性虽好，但韧性不良，尤其易于 1 0 0 面发生解理断裂：硫化物夹杂较 多 4 2 1 ； 另外对曲轴毛坯厂家现场验证发现：该厂锻压设备更新，锻压吨位增加：冷却速 度增加、冷却方式改变等均造成毛坯内部残余应力大。 2 9 华中科技大学硕士学位论文 2 ；= = ；= = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = 3 3 曲轴热处理变形解决措施及验证 根据以上分析发现问题主要集中在曲轴毛坯原材料夹杂物级别a 类为3 级，超过 标准的a 类为2 级以下，部分晶粒度级别超过1 级；在曲轴毛坯厂家锻压方面，主要 是采用强制风冷增加冷却速度造成毛坯内部残余应力增大。 改进措旖：毛坯厂家合理控制原材料夹杂物级别按照规定标准执行、对晶粒度级 别适当放宽到3 级，取消两处强制风冷降低冷却速度；对于本公司发动机厂热处理车 间则采取在气体软氮化工艺过程前对曲轴进行去应力退火处理： 效果验证：曲轴毛坯厂家于2 0 0 0 年底采取以上措旖后，如表3 1 为本公司发动机 厂热处理车间2 0 0 1 年到2 0 0 3 年曲轴热处理后变形不合格统计情况，到目前为止因曲 轴热处理变形导致的不合格品率控制在o 1 以内。无校直断裂现象发生：之后一年的 正式生产运用证明了改进曲轴的变形不合格率比改进前大大的降低。) 表3 i2 0 0 1 年2 0 0 3 年每月钢件曲轴热处理变形跳动超差根数 产量不合格品率 1 月2 月3 月4 月5 月 6 月 7 月 8 月 9 月l o 月 1 1 月1 2 月合计 ( 单位：根)( 单位：) 2 0 0 1 年 ol00o1lo210o62 9 7 8 10 2 2 0 0 2 矩 ll01200l 0 0ll84 9 5 7 20 1 6 2 0 0 3 芷 ol00o0001olo36 6 2 0 7o 0 5 3 4 本章小结 本章主要说明了曲轴热处理后变形严重的质量问题，首先结合气体软氮化工艺生 产过程分析，然后对故障件分析，与气体软氮化工艺过程分析基本吻合的。曲轴毛坯 原材料化学成分、曲轴毛坯加工过程的冷却速率对曲轴气体软氮化后质量有很大影响。 因此控制曲轴气体软氮化后质量关键技术之一是必须严格控制曲轴毛坯质量，加强对 曲轴毛坯的进货检验，目前该控制已经正式运用于生产当中，曲轴热处理后变形导致 的不合格品率控制在o 1 以内，从而有效提高经济效益。 3 0 华中科技大学硕士学位论文 4 气体软氮化炉意外故障对曲轴热处理表面质量影响的 研究与改进 4 1 引言 在本公司连续推料式气体软氮化炉使用多年中，曾经发生多次连续推料式氮基气体 软氮化炉意外故障而造成曲轴热处理表面质量问题，通常设备意外故障直接影响曲轴热 处理后质量，不同的设备故障状态对产品的热处理质量影响也不一样，必须根据设备故 障情况对该工艺进行适当调整，从而如何防范与挽救曲轴因设备问题引起的系列热处理 表面质量问题。在本公司连续推料式气体软氮化炉使用多年中，发现导致产品质量问题 的主，以及设备运行中发生故障，必须紧急维修问题导致影响产品质量问题等； 根据设计要求，本公司曲轴生产纲领为年产1 2 万根，应确保大批量生产、质量稳 定和产品性能重现性好的，经过多年生产实践证明，选用连续推料式气体软氮化炉能 够适应生产状况。该设备分主要包括前清洗机、后清洗机，上、下料机构、料道等部 分组成：关键部分主要是预热炉、软氮化炉、油槽与控制设备，配气系统等部分组成。 如图4 1 所示。 图4 1 连续推料式氮基气体软氮化炉示意图 1 前清洗机2 预热炉3 软氮化炉前室4 软氮化炉膛 5 油槽 6 后清洗机 7 料道8 配气系统 9 气体管路 华中科技大学硕士学位论文 设备运行中，可能因误操作导致设备运行中意外故障，一般分两种情况：一是氮 化炉炉膛完好，其它设施故障，不会导致外界氧气进入氮化炉炉膛；二是软氮化炉炉 膛故障，导致外界氧气进入氮化炉炉膛。 4 2 无氧气进入软氮化炉故障的影响分析与改进 表4 i 氮化炉停止自动运转时间为3 0 分钟、4 0 分钟、5 0 分钟试验结果 p 弋： g 3 0 lg 3 0 2g 3 0 3g 3 0 4g 3 0 5g 3 0 6 曲轴钢印号 3 6 31 2 2 1 6 g b3 6 4 2 7 0 ，2 5 g b3 6 4 0 2 7 ，2 3 g b 3 1 2 03 1 2 13 6 5 0 l l 2 6 g b 检测项目 试验前 6 9 9 2 l6 9 9 2 16 9 ，9 2 26 9 ，9 2 86 9 9 2 56 9 ，9 2 1 # 主轴颈尺寸 试验后 6 9 9 2 66 9 9 2 56 9 9 2 76 9 9 36 9 9 3 36 9 9 2 5 试验前 6 9 9 2 16 9 9 2 56 9 9 2 66 9 9 2 66 9 9 2 56 9 9 2 4 2 # 主轴颈尺寸 试验后 6 9 9 2 56 9 9 2 56 9 9 2 86 9 9 36 9 9 3 l6 9 9 2 6 试验前 6 9 ，9 2 l6 9 9 2 16 9 9 36 9 9 2 96 9 9 2 36 9 9 2 3 # 主轴颈尺寸 试验后 6 9 9 2 56 9 9 2 46 9 9 3 l6 9 9 36 9 9 2 26 9 9 2 2 试验前 6 9 9 2 36 9 9 2 56 9 ，9 3 36 9 9 36 9 9 36 9 9 2 4 4 # 主轴颈尺寸 试验后 6 9 9 2 76 9 9 2 96 9 9 3 86 9 9 2 96 9 9 2 66 9 9 2 8 试验前6 9 9 2 3 6 9 9 2 46 9 9 3 4 6 9 9 2 6 6 9 9 36 9 9 2 5 # 主轴颈尺寸 试验后6 9 9 2 56 9 9 2 76 9 9 3 86 9 9 3 36 9 9 36 9 9 2 3 试验前 5 2 9 2 l5 2 9 1 75 2 9 25 2 9 1 95 2 9 1 8 5 2 9 1 4 l # 连杆颈尺寸 试验后 5 2 9 35 2 9 25 2 9 35 9 9 2 15 9 9 2 35 9 9 2 3 试验前 5 2 9 3 l5 2 9 1 55 2 9 2 25 2 9 25 2 9 1 95 2 9 1 9 2 # 连杆颈尺寸 试验后 5 2 9 4 35 2 9 2 35 2 9 35 9 9 2 35 9 9 2 35 9 9 2 3 试验前 5 2 9 3 25 2 9 1 45 2 9 25 2 9 25 2 9 1 95 2 9 1 5 3 # 连杆颈尺寸 试验后5 2 9 4 3 5 2 9 2 25 2 9 35 2 9 25 9 9 2 35 2 9 2 l 试验前 5 2 9 2 25 2 9 1 85 2 9 2 35 2 9 2 l5 2 9 1 35 2 9 1 8 4 # 连杆颈尺寸 试验后5 2 9 3 l5 2 9 2 4 5 2 9 3 25 9 9 2 25 2 9 1 95 2 9 2 2 3 # 主轴颈跳动试验前 3233 4 4 值( o 0 1 r a m )试验后 32325 3 曲轴抛光次数 1 次1 次 1 次 1 次 1 次 1 次 曲轴表面疏松级别 1 级1 级2 级2 级3 级 3 级 化合物层厚度( 微米) 2 2 52 0 2 2 5 2 2 5 2 2 5 2 5 2 5 2 5 表面硬度( h v 0 1 ) 5 9 1 7 56 0 l 5 8 3 2 5 6 5 8 7 6 6 1 3 76 4 2 1 设备停机时间 3 0 分钟4 0 分钟 5 0 分钟 3 2 华中科技大学硕士学位论文 根据多次工艺试验确定防止办法：设备故障维修时间不超过3 0 分钟时，可保持气 氛不变，工件表面出现轻微疏松，疏松级别为i 级，符合表面质量技术要求；但是当 设备故障维修时间超过3 0 分钟时，对炉膛进行氮气冲扫，停止气氛供应，同时停止加 热，工件随炉降温，在设备恢复正常后，根据故障时间长短，对工件处理时间进行适 当减少，工件表面出现轻微疏松在曲轴热处理技术要求之内。 4 3 有氧气进入软氮化炉故障的影响分析与改进 质量缺陷：曲轴表面化合物层疏松严重，甚至有黑色物质( 如图4 2 所示) ，或表 面剥落现象( 如图4 3 所示) ，影响曲轴表面抛光后续加工( 如图4 4 所示) ，需要至少 抛光2 次以上，才能够满足表面要求，但抛光多次又会导致曲轴轴颈尺寸不合格，造 成不合格品。 3 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = ；= = = ；= = | = = ；= = = 图4 2 曲轴表面化合物层疏松图( 4 0 0 x ) 图4 3 曲轴表面抛光不良 3 4 华中科技大学硕士学位论文 图4 4 曲轴表面剥落现象 对于低温气体氮碳共渗时，表面出现的针点状疏松( 微孔) ，目前比较一致的看法 是，亚稳定的高氮相在氮化过程中发生分解，于渗层表面析出氮分子而留下的气孔； 近年来在应用可控气氛进行低温气体氮碳共渗处理的试样表面所产生的疏松( 灰黑色 点状物) ，有人认为这是一种氧化物，只是在随后的试样磨制过程中，氧化物被剥落而 留下的孔穴【4 3 1 。经过多年生产实践，产品经过本工艺氮基气体软氮化处理后，一般表 面疏松均在合格范围内，控制在2 级以下，符合钢铁零件渗氮层金相检验标准 j b 2 8 4 9 8 0 要求。 根据实践生产试验分析发现，对该