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软氮化+后氧化复合处理技术的应用研究

时间:2016-06-15? 来源:青岛丰东热处理 ?编辑:青岛丰东热处理 点击: 次
        优德88官方网站手机版和青岛科技大学产学研合作,在研发成功外辅助加热式优德体育w88官网手机版的基础上,成功地完成了软氮化+后氧化复合处理(简称FD-NCO技术)的设备与工艺的研发,现在这项技术已实现批量化生产。
1. FD-NCO处理设备
        图1是丰东研制的软氮化+后氧化复合处理设备示意图。该设备是由预抽真空井式电阻炉、离子轰击电源、控温系统、真空系统、供气系统、炉内气体分析与控制系统、气体内循环风机和计算机自动控制系统等组成。
        前期研究证明,软氮化+后氧化复合处理最好是在一套处理设备内完成。FD-NCO处理设备实际上是一套离子—气体复合的化学热处理设备。在处理过程中,炉内气体循环风机可以起到搅拌炉内气体和均温的作用,对处理工件表面渗氮层和氧化膜的均匀性起到重要的作用。离子轰击电源采用优德体育w88官网手机版的脉冲电源,最高输出直流电压1000V,脉冲频率20KHz。软氮化后,采用高电压、小占空比的轰击溅射工艺,目的是净化并活化渗氮工件表面,以提高后续氧化时氧化膜与渗氮层之间的结合强度。在整个FD-NCO处理过程中,全部采用计算机自动控制,可以做到无人值守。
外辅助加热式优德体育w88官网手机版原理
2. FD-NCO 处理的组织和性能
        图2是经FD-NCO处理后试样横截面的金相照片,从照片可以看出,复合渗层从外到里是由氧化膜→疏松层→白亮层→扩散层→基体等几部分组成。
        图3的XRD分析结果表明,表面氧化膜是Fe3O4,白亮层是Fe2-3N(ε相),扩散层为Fe4N。
        试验发现,白亮层的致密度对复合渗层的耐蚀性起到关键性作用,是复合渗层能否通过盐雾试验的关键因素。从复合渗层横截面的电镜照片可以看出(见图4),经FD-NCO处理的白亮层即使在高倍下观察也是致密的。
软氮化+后氧化金相照片          软氮化+后氧化衍射图
        图5是FD-NCO复合渗层横截面的硬度梯度,基体材料为调质态的42CrMo,表面最高硬度为643HV0.5,从图中可以看出,复合渗层深度约为0.3mm,硬度梯度比较缓和。
        用FD-NCO工艺处理了汽车球头销,并进行了盐雾试验(图6)。试验结果表明,球头销的盐雾试验最长可达1200小时,超过大众汽车的240小时的标准,也高于国外同类产品的盐雾试验的水平(图7)。
软氮化+后氧化电镜图片                软氮化+后氧化硬度梯度
软氮化+后氧化球头销盐雾试验
软氮化+后氧化盐雾试验对比结果
        从图6还可以发现,尽管盐雾试验进行了1200小时,但球头销的外观仍为黑亮色。将盐雾试验前后球头销切开进行金相分析比较,发现盐雾试验后的白亮层仅是疏松部分消失,而致密部分的白亮层和氧化膜仍然完好无损(图8)。
        在软氮化处理过程中,渗氮层的表层会有一定深度的疏松,降低了渗层的表面硬度,所以渗氮层表面的疏松是评定渗氮质量好坏的标准之一。但是,对于软氮化+后氧化复合处理,保持适当厚度的疏松层对耐蚀性能是有利的,这样可以获得更好的耐蚀性。问题是在QPQ处理过程中,由于高的CNO等原因,渗层表面的疏松比较严重,对渗层的机械性能产生不良的影响,已成为盐浴软氮化的技术难题之一。而在FD-NCO处理过程中,可以人为地控制疏松层的厚度和致密度,甚至可以做到无疏松层的渗层组织。
盐雾试验白亮层对比
3. FD-NCO技术的应用
        空气弹簧中的气门杆是用45钢制造,社会需求量很大。我国已成为世界上气门杆的主要生产国,生产工艺全部采用QPQ技术处理,污染现象十分严重。图9是丰东采用FD-NCO技术处理的气门杆,表面硬度528HV0.1,白亮层厚度20~23μm,盐雾时间可达361h。
        石油钻井的钻具接头工作环境比较恶劣,要求表面有一定的耐磨性和耐蚀性,原采用QPQ工艺处理,由于用QPQ处理的白亮层表面疏松比较严重,影响到接头的使用寿命,而且螺纹处的残留盐也比较难清理,因此产品外观和性能均不能达到客户要求。改用了丰东FD-NCO技术处理,处理完不需要进行清洗,外表面是赏心悦目的亮黑色(见图10),同时具有极好的耐磨性和耐蚀性,满足了客户的需求。
        石油压裂车上的阀座重达2.5吨,阀座的密封面要承受着高压的压裂液冲刷和腐蚀,对密封面的密封性影响很大。另外,石油压裂车常年在野外作业,工作条件十分恶劣,国外石油压裂车上的阀座都是经过软氮化+后氧化复合处理的。我国之前没有软氮化+后氧化复合处理技术,QPQ技术又难以处理体积这么庞大的零件,其它表面技术,如镀硬铬,又难以满足使用要求,所以我国石油压裂车上的阀座使用寿命一直是个技术难题。丰东利用FD-NCO技术对国产石油压裂车阀座进行了表面处理(图11),技术指标达到了客户的要求。
软氮化加后氧化应用
 
4. 结论
        青岛丰东热处理企业软氮化+后氧化复合处理技术(FD-NCO)可以在结构钢制造的机械零部件表面形成十余微米厚的白亮层(ε相)和1~2微米厚的Fe3O4膜,使机械零部件表面同时具有优良的耐磨性能和耐蚀性能。该技术完全可以取代QPQ技术,处理过程中对环境无污染,处理质量优于QPQ技术,盐雾试验最高可达1200小时。

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