【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (5)ζ 相的成分相當(dāng) Fe2N，具有斜方點(diǎn)陣 ,可看作 ε 相的扭曲變體 ,存在于狹小的溫度范圍內(nèi) (氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù) WN 為 ～ ％ )。溫度高于 490℃ 時(shí)， ζ 相轉(zhuǎn)變?yōu)?ε 相。 ζ 相脆性很高，滲氮時(shí)不希望它存在。 合金鋼滲氮過(guò)程中，氮不僅與鐵形成化合物，還與合金元素形成化合物。在共析溫度下滲氮時(shí)，先形成含氮的 α 相。當(dāng)它達(dá)到飽和程度后，依次形成鋁及鈦的化合物，釩鎢鉬及鉻的氮化物，最后形成鐵的氮化物。繼續(xù)滲氮， α 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣谩倮^續(xù)滲氮， γ’相轉(zhuǎn)變?yōu)?ε 相。滲氮時(shí)形成的高穩(wěn)定性合金氮化物在滲層中呈 4 高度彌散狀態(tài)析出，使?jié)B層具有很高硬度。而氮化物越穩(wěn)定，彌散度越高，滲層硬度也越高。這些合金氮化物在 550℃ 時(shí)不會(huì)聚集長(zhǎng)大 ,滲層仍保持高硬度。 滲氮件的性能 (1)硬度：滲氮層具有很高硬度和耐磨性。如有些鋼滲層表面硬度可達(dá)9501000HV，短時(shí)缺乏潤(rùn)滑或過(guò)熱，仍能保持高硬度，所以具有較好的抗咬合性能。 (2)疲勞強(qiáng)度：滲氮零件的疲勞強(qiáng)度顯著提高 ,有缺口零件提高幅度更大。原因是：滲氮表面具有高達(dá) 3400MPa 以上的強(qiáng)度，且滲層組織的比容比淬火馬氏體的比容還大，造成滲氮層具有更高的殘余壓應(yīng)力。 (3)耐蝕性：滲氮層中的 ε 相致容度高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，因而具有很好的耐蝕性，可以抵抗水﹑過(guò)熱蒸氣及堿性容液的腐蝕。 (4)脆性：一般氣體滲氮，表層氮濃度過(guò)高， 緩冷過(guò)程中析出 ζ 相時(shí)，脆性較大 [3]。 鋼的常規(guī)氮化 鋼的常規(guī)氮化 為了縮短氮化周期，并使氮化工藝不受鋼種的限制，在近年間在原氮化工藝基礎(chǔ)上發(fā)展了軟氮化和離子氮化兩種新氮化工藝。軟氮化實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼的氮原子滲入的同時(shí)，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。 常規(guī)氮化方法 主要 分為：氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性氮、碳原子的氣氛中進(jìn)行低溫氮、碳共滲，常用的共滲介質(zhì)有 甲醇 、 乙醇、 氨氣，它們?cè)谲浀瘻囟认掳l(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生活性氮、碳原子?；钚缘?、碳原子被工件表面吸收，通過(guò)擴(kuò)散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。 常規(guī)氮化工藝 常規(guī)氮化按以下圖 的工藝路線操作，采用三段法，第一段強(qiáng)滲階段 :溫度570℃、氨分 30％、保溫 10h；第二段 :擴(kuò)散階段 :溫度 570℃、氨分 60％、保溫4h。第三段退氮階段：溫度 520℃、氨分 90％、保溫 2h。 5 圖 常規(guī)氣體軟氮化工藝圖 常規(guī) 氮化存在的問(wèn)題及不足 通過(guò)常規(guī)氣體軟氮化處理 ,能提高了輪胎模具表面硬度，提高了耐磨性、耐蝕性和抗咬合性 ,提高了疲勞強(qiáng)度 ,防止模具表面氧化，提高了使用性能 ,延長(zhǎng)使用壽命 ,從而提高了模具的質(zhì)量。但是存在以下問(wèn)題及不足： (1)氮化時(shí)間長(zhǎng)，滲速過(guò)慢，滲層薄，硬度偏低。輪胎模具通過(guò)常規(guī)的氣體氮化處理主要的目的是提高表面的耐磨性和耐蝕性。一般情況下表面的耐磨性和耐蝕性主要靠提高氮化的滲層厚度以及表面的硬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前的要求是經(jīng)過(guò)氮化處理后模具表面的顯微硬度 50HRC，氮化滲層厚度應(yīng) ，白亮層厚度應(yīng) ，因滲速慢的原因要獲得以上的性能要求，按照常規(guī)氣體軟氮化所需時(shí)間應(yīng)在 16h 以上，客戶如果提出更高的要求，那氮化時(shí)間就要求更長(zhǎng)，生產(chǎn)周期特別長(zhǎng)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)與產(chǎn)品的交貨期是非常不利的?？s短氮化時(shí)間，滲層太薄，硬度偏低，質(zhì)量達(dá)不到客戶的要求。 (2)能耗大。熱處理加工是耗能大戶，而化學(xué)熱處理又是熱處理加工中的耗能最多工序。經(jīng)過(guò)我們粗略的核算，在熱處理常規(guī)氣體氮化過(guò)程中，以現(xiàn)有的滲氮設(shè)備 95KW 的用電量 ,一爐常規(guī)氮化加工過(guò)程所耗用的電量大概在 1520KW／時(shí)以上 ,耗用的冷卻循環(huán)水在 3 噸以上 ,氨氣用量 在 50Kg 以上 ,甲乙醇用量暫忽略不計(jì)。 (3)生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低。根據(jù)以上相關(guān)的數(shù)據(jù)我們大概核算 ,每一爐常規(guī)氮化加工 ,至少要花費(fèi) 3000 元左右 (人工的工資除外 ),以每個(gè)月加工 20 爐計(jì)算的話要花費(fèi)在 60000 元以上 ,生產(chǎn)成本高 ,而且因?yàn)榈芷陂L(zhǎng) ,生產(chǎn)效率低下。 國(guó)內(nèi)稀土催滲氮化研究概況 近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多熱處理單位廣泛采用各種化學(xué)催滲手段來(lái)實(shí)現(xiàn)加速氮 6 的進(jìn)程，主要途徑是： (1)通過(guò)清凈和消除鈍化膜來(lái)改變工件表面活化狀態(tài)，主要的方法是：加鈦催滲滲氮法。 (2)通過(guò)電解氣相催滲滲氮，是以氨氣或氮?dú)鉃?載體氣，將電解氣帶入滲氮罐中，以加速滲氮過(guò)程的方法，主要的方法是：電解氣相催滲滲氮法。 (3)通過(guò)氣體滲氮時(shí)，向滲劑中加入稀土元素，稀土原子吸附在工件表面后較易形成許多活性中心，可加速滲氮過(guò)程，主要的方法是：稀土催滲氮化法。 其中第 (3)種途徑正是本文的研究?jī)?nèi)容所在，在國(guó)內(nèi)，稀土在化學(xué)熱處理中的應(yīng)用始創(chuàng)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，劉志儒、韋永德教授首先提出將稀土應(yīng)用于化學(xué)熱處理滲碳工藝中，并取得良好的效果，在工大教授閆牧夫以及哈爾濱拖拉機(jī)廠王冶、王洪春等教授專家的不懈努力下，稀土催滲技術(shù)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，工藝技術(shù)不斷完 善。形成的稀土催滲工藝在熱處理的某些領(lǐng)域得到了很好的推廣與應(yīng)用。同時(shí)在查閱相關(guān)的熱處理的書(shū)刊和雜志時(shí)也有見(jiàn)過(guò)相關(guān)的報(bào)道：比如：滴注式稀土碳氮共滲對(duì) 20Cr、 10 鋼的影響 [4]，低碳鋼耐蝕性稀土催滲氣體氮化，稀土加速擴(kuò)散的微觀機(jī)制進(jìn)行探討等相關(guān)的報(bào)道。報(bào)道中試驗(yàn)實(shí)踐證明，在化學(xué)熱處理工藝中采用稀土共滲技術(shù)，可以提高滲速，改善金相組織，使工件的機(jī)械性能大幅度提高。可以說(shuō)稀土共滲技術(shù)是降低化學(xué)熱處理能耗，提高產(chǎn)品使用壽命，達(dá)到“節(jié)能減排”目標(biāo)的重要手段。但是，稀土用在輪胎模具主要用材料 40Cr、45鋼氮化這方面 就未見(jiàn)過(guò)相關(guān)的報(bào)道，因此，作為輪胎模具氣體氮化的研究者有必要試驗(yàn)和推廣該工藝的應(yīng)用。為企業(yè)節(jié)能減排，降低成本出一份力。 本文的研究意義及內(nèi)容 本文研究的意義 基于以上常規(guī)氣體軟氮化存在的問(wèn)題以及不足之處。作為熱處理從事的工作者而言，如何如何降低化學(xué)熱處理的能耗指標(biāo)?？s短生產(chǎn)周期，保證和提高氮化質(zhì)量，降低成本成為了潛心研究的課題。本文 通過(guò)對(duì) 輪胎 模具氣體氮化催滲工藝的實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)地探索了模具鋼快速氮化處理工藝及氮化工藝的改進(jìn)方法，探討了模具鋼快速氮化處理工藝對(duì)滲層組織性能的影響規(guī)律。 探索出一個(gè) 合適的工藝方法，從而能解決輪胎模具氣體氮化生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的滲速過(guò)慢，能耗大的問(wèn)題。 研究的具體內(nèi)容 7 (1)通過(guò)滴注式稀土催滲氣體軟氮化試驗(yàn)研究，深入了解稀土在氮化過(guò)程的影響機(jī)理。 (2)采用稀土催滲工藝對(duì)滲層組織性能的影響。 (3)稀土的滴注量大小以及滴注量滴管不暢（滴量不穩(wěn)定）對(duì)共滲效果的影響。 (4)要獲得相同滲層硬度和滲層深度，稀土催滲工藝和常規(guī)氮化工藝在能耗，生產(chǎn)周期的對(duì)比，從而確定一個(gè)最合適的催滲劑配方以及催滲工藝。 8 2 輪胎模具稀土催滲氣體軟氮 化工藝研究 輪胎模具簡(jiǎn)介 當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)子午線輪胎用的硫化模具有兩種：活絡(luò)模 (segment mould)和兩半模 (two half mould)。然而，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)高性能子午線輪胎多采用活絡(luò)模。在國(guó)外，全鋼絲子午線輪胎 (無(wú)論是載重輪胎還是乘用輪胎 )都 100％ 使用活絡(luò)模生產(chǎn)，H 級(jí)以上乘用輪胎和 60 系列乘用輪胎也全部使用活絡(luò)模硫化。近年來(lái)不少輪胎廠對(duì) S 級(jí)輪胎也采用活絡(luò)模生產(chǎn)，有的廠規(guī)定斷面寬為 155mm 或以下的輪胎規(guī)格才能使用兩半模。 活絡(luò)模加液壓定型硫化機(jī)是生產(chǎn)高性能子午線輪胎最理想的硫化設(shè)備。 活絡(luò)模是硫化子午線輪胎的專用模具，采用活絡(luò)模生產(chǎn)子午線輪胎的原因是：子午線輪胎的外胎胎坯的外直徑大于硫化模型花紋溝底部直徑，用兩半模型硫化時(shí)，容易產(chǎn)生胎冠厚薄不均勻和簾線排列不正；若胎坯外直徑小于硫化模型花紋溝底部直徑，則會(huì)引起胎坯膨脹較大，而導(dǎo)致帶束層寬度縮窄，簾線的角度和密度都會(huì)有較大的變化。因此，子午線輪胎硫化使用兩半模型，就不能保證硫化后成品的質(zhì)量，特別是鋼絲載重子午線輪胎，花紋深，胎體硬，硫化了的外胎從兩半模型拉出時(shí)，容易造成花紋裂口或損壞模具等；而改用胎冠部分可徑向分合的幾小塊的活絡(luò)模型，便可避 免這些問(wèn)題。 活絡(luò)模是硫化子午線輪胎的專用模具，由花紋圈、上側(cè)板、下側(cè)板、向心機(jī)構(gòu)四大部件構(gòu)成，其中花紋圈由徑向可分合的花紋塊組成?；y圈、上側(cè)板、下側(cè)板組合后保證輪胎形狀及輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)，向心機(jī)構(gòu)保證花紋圈、上側(cè)板、下側(cè)板的組合達(dá)到設(shè)計(jì)精度并與輪胎硫化機(jī)接口，隨硫化機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，完成硫化輪胎的制作。因此，活絡(luò)模屬于一種徑向收縮式開(kāi)合模具，具有獨(dú)特的徑向運(yùn)動(dòng)，在合模時(shí)，活絡(luò)模塊能自動(dòng)地向已定型的生胎合攏；在卸胎時(shí)，活絡(luò)模塊能自動(dòng)地脫開(kāi)硫化了的外胎，使胎冠和胎體不受損壞，有利保障外胎質(zhì)量和裝卸輪胎便利。 活 絡(luò)模具一般由殼體和型腔兩大部分構(gòu)成，其中型腔部分由保證輪胎成型的零部件組成，如上下側(cè)模、花紋圈、上下鋼圈等。殼體由上蓋、底座、中套、弓形座等幾大部件組成，是用來(lái)保證型腔部件做開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)硫化機(jī)壓出輪胎花紋及胎側(cè)圖案的一種向心活絡(luò)機(jī)構(gòu)，因此又稱之為向心機(jī)構(gòu)，向心機(jī)構(gòu)就是 9 安裝活絡(luò)模塊并使之產(chǎn)生徑向收縮運(yùn)動(dòng)和施加足夠合模力的機(jī)構(gòu)。其開(kāi)合動(dòng)作原理如下： 開(kāi)模 —— 與硫化機(jī)上輔板相連的中套，隨著上輔板的升起，中套通過(guò)與內(nèi)錐面平行安裝的導(dǎo)向條、壓板來(lái)帶動(dòng)弓形座 (一般為 8— 10 等分 )作向外的徑向滑動(dòng)，達(dá)到規(guī)定行程。由 于限位塊的作用，弓形座被中套帶起，此時(shí)處于開(kāi)模狀態(tài)。 合模 —— 與上述動(dòng)作相反，中套下落，依靠與弓形座配合的內(nèi)錐面，促使弓形座內(nèi)徑作向內(nèi)的徑向滑動(dòng)。中套下降到底部時(shí)，裝有花紋塊的弓形座合模到位，即花紋塊口徑只與上下側(cè)模外徑緊密接觸，拼合成一個(gè)整圓。開(kāi)模、合模如圖 所示。 圖 . 輪胎模具開(kāi)模、合模狀態(tài)圖 稀土催滲氮化基本原理 由大量的資料考核證明，碳氮共滲過(guò)程中加入稀土元素可使?jié)B速加快，即有明顯的催滲作用。稀土的催滲作用，本質(zhì)上來(lái)源于稀土特有的電子結(jié)構(gòu)，即稀土具有 4f 殼層結(jié)構(gòu)，而且電負(fù)性較 小，因而稀土具有突出的化學(xué)活性。另一方面從熱力學(xué)的角度來(lái)看，稀土與許多非金屬元素自由焓的增量均為較