镗杆硬氮化工艺

■ 程健康

S1110和 S195和S1115机体镗床的关键部件——镗杆，原先为外协加工件，需费用18万元，成本高，且硬氮化过程中由于热变形大，精磨后表面硬度达不到750HV5以上，造成镗杆早期磨损而失效。

为了提高镗杆表面硬度、耐磨性、疲劳强度，节约开支，降低生产成本，保证镗床的大修质量，集团公司下达攻关项目。

1. 工艺试验

（1）硬氮化零件 镗杆最长1120mm，最小直径为40mm，有大小台阶5个，经精磨后镗杆的硬氮化要求是硬度750HV5以上，硬氮化层≥0.25mm。硬氮化中控制变形量是保证硬氮化质量的关键。其他硬氮化部件由于尺寸较短，变形容易控制。

（2）镗杆制造工艺流程 主要流程：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→高温回火→磨加工→回火→硬氮化→入库（装机）。

（3）试验设备 使用设备为RQ2-105-9井式渗碳炉，用LEB-15氨气流量计控制氨气流量。

（4）试验方法 为了保证获得良好的硬氮化质量，在没有氮势测定仪的情况下，先用一根报废的镗杆用硬氮化工艺方法进行工艺试验，然后根据试验情况来调整工艺。先后采用4种硬氮化工艺方法（见图1~图4），不同的硬氮化工艺生产的镗杆的硬度和渗层见表1。其装挂方法为竖挂氮化架中，使装吊牢靠、平稳，减少热变形。在镗杆大端钻工艺孔，然后竖直掉挂，硬氮化变形情况见表2。

图1 工艺方法1

图2 工艺方法2

图3 工艺方法3

图4 工艺方法4

表1 不同硬氮化工艺的硬氮化层和硬度

（5）温度的选择 38CrMoA1材料具有优异的硬氮化工艺性，为了提高硬氮化层深度，在保证达到硬氮化硬度的前提下，应尽量提高硬氮化温度，随硬氮化温度的提高，表面硬度降低，但在580℃以下时由于硬氮化物的聚集不显著，硬氮化物弥散影响不大，故硬度变化较小。相反，随温度的提高，氮原子的扩散速度显著加快，但温度过高不仅降低硬度、耐磨性，同时易引起较大热变形。因此，我们的工艺中选择上区570℃，下区560℃的温度。

（6）硬氮化时间和氨气流量的控制 随着时间的延长，硬氮化层呈抛物线型变化，因此无限地延长时间并不能增加硬氮化层的深度（或增加很少）。由于我们选择的温度较高，硬氮化时间不宜过长，当采用工艺方法3和工艺方法4时已经有少量的脉状氮化物出现。另外，过长时间硬氮化将降低硬度、增加脆性等缺陷。氨气流量分阶段分别控制，为了缩短排气时间，在排气阶段用滴乙醇通氨的办法尽快地排出炉内的废气。硬氮化第一、第二阶段通较大的氨量，目的是为了获得大浓度梯度的硬氮化层和高的表面硬度，以加速氮在钢中的扩散，第三阶段适当减少流量是为了加速氮在钢中的扩散，降低氮浓度梯度，使硬氮化层硬度分布平缓，降低零件的脆性，增加抗疲劳性，减薄化合物层厚度。通过分阶段控制氨气流量，采用工艺方法4使硬氮化层在20h内达到0.44mm以上，硬度达到900HV5以上，以求达到表面强化，来提高表面耐磨性。

（7）硬氮化变形 影响镗杆硬氮化变形因素较多，除了硬氮化时的组织应力和热应力外，棱角、尖角孔、硬氮化前机械加工和预处理的残余应力均有重大影响，对机械加工产生的残余应力在粗磨前，再进行一道去应力退火。降温至380℃以下出炉时，应特别注意出炉时不能碰撞，由此产生摆动是造成变形的因素。能地少磨掉硬氮化层，保证有尽可能深的硬化层，由于与镗杆配合的镗套为铸件，容易加工，因此根据镗杆的精度，通过配磨镗套，这样既减少了镗杆的磨量，又保证了其配套间隙精度，不仅可以提高使用寿命，还保护了最昂贵的镗杆。通过热处理与磨削加工的配合、协作，从而基本解决了变形的难题。

3. 效益和结论

2. 镗杆的磨削加工

由于CE-U580-G143镗杆细长，极易引起弯曲变形，在试验中最大弯曲处径向圆跳动达到0.4mm左右，而硬氮化层深度在该次试验中仅0.4~0.43mm，若采用常规的磨削加工工艺，显然无法磨削，因此必须改进磨削方法。

（1）设置中心孔二次校正装置 硬氮化后直接磨削加工，加工余量不足，硬氮化层被加工掉，因此将中心孔打成螺孔形，由于镗杆弯曲方向一致，因此按最高点的平均值作为中心孔的中心位置，经过校对，重新钻中心孔，使磨量得到重新分配，从而解决了镗杆的磨削问题。

（2）修正间隙 为了尽可

（1）效益 大修后的镗杆供金工车间使用的效果良好，未发现早期磨损现象，由此产生了很高的经济效益，自制费用仅需8万元，外协则需18万元，自制可节约费用10万余元。到目前为止已生产7副镗杆，共节约70万元。

（2）结论 首先，采用适当提高硬氮化温度的二段硬氮化工艺，对镗杆的硬氮化生产是适用的，既保证了硬氮层的深度、硬度，表面强化又比一般的硬氮化工艺提高了效益。其次，在磨削加工中设置中心孔二次校正装置，根据镗杆的尺寸精度配磨镗套的方法，不仅解决了镗杆的变形问题，而且保证了硬氮化层深度，是镗杆生产过程中解决硬氮化变形行之有效的方法。

表2 不同硬氮化工艺的镗杆变形情况