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气体渗氮密集式装炉的应用范围

气体渗氮密集式装炉的应用

锁轴在连杆式注塑机中作为连杆之间的连接关节，在注塑机生产周期内起到承受连杆快速往返力矩传递的作用，推动注塑机模板的开合动作。因此,要求锁轴具有良好的整体塑韧性、强度，以及较高的表面耐磨性。常见的注塑机锁轴材质为中碳合金结构钢，下料后经过调质和机加工，后进行渗氮及抛光处理。

本文以钢注塑机锁轴为研究对象，井式渗氮炉进行气体渗氮处理，采用两种不同的装炉方式，匹配不同的工艺参数得到符合技术要求的零件渗氮效果，同时提升了生产量。

1.产品对象及技术要求

选取一种注塑机常用锁轴零件，尺寸为φ140 mm×720 mm，材质为合金结构钢，气体渗氮前已进行调质处理，基体组织为回火索氏体。调质后硬度260～300HBW。气体渗氮前的零件形状。

气体渗氮后要求锁轴表面硬度≥850HV10，有效硬化层深≥0.5mm，脆性和脉状氮化物级别≤2级，不得出现针状或鱼骨状氮化物。有效硬化层深采用硬度法检测。

2.装炉方式的选择

(1)均匀间隔分布式装炉

为了使零件能获得均匀的渗氮层，每根锁轴装炉时均间隔开，装炉方式为底部承重盘承重，中间夹一层扶正网盘，此扶正网盘上均匀分布着等间距的圆孔，零件从这些圆孔中插入即可。图2所示为现场实际完成装炉后准备进炉渗氮的零件。此方式为常见的装炉方式。

（2）密集团聚式装炉

由于均匀间隔分布式的装卸炉现场操作较为不便，零件在插入扶正盘圆孔时易与其发生碰撞造成表面缺陷，工人需非常耐心操作桥式起重机，装炉和卸炉耗时长，工人劳动强度较大。

在装炉时尝试采用将零件密集式摆放，如图3所示。零件之间仅留肉眼可见的缝隙，装炉完成后采用捆扎等方式加固，防止零件在桥式起重机吊运过程中倾倒。这种方式可比均匀间隔式的装卸炉提高2～3倍效率。

我公司对于锁轴采用的是常规的二段式渗氮工艺，510℃进行强渗25～28h，540℃进行扩散22～24h。这是适用于均匀间隔装炉的工艺参数。

为了匹配密集装炉的零件，适当调整工艺参数，分别在强渗和扩散阶段增加了2～4h，确保密集装炉零件终能符合既定技术要求。

4.气体渗氮设备与工装要求

（1）气体渗氮设备的要求

均匀间隔分布的零件有利于炉内气氛的流通，因此，此种装炉方式对于气体渗氮设备而言要求并不高，炉内风扇风速中速或低速即可。

密集团聚式的零件由于零件之间仅有微小的间隙，炉内气氛难以流动，对于设备而言要求必须配置大功率风扇，控制炉内风速，流动均匀。

（2）气体渗氮工装的要求

均匀间隔分布装炉的零件，由于采用扶正盘插入式，对于扶正盘尺寸要求精度高，且扶正盘圆孔需圆弧过渡，一旦零件撞上圆孔后避免碰伤。圆孔尺寸过大会造成装炉后零件的不够垂直，影响渗氮变形量，甚至倾斜的零件与圆孔摩擦造成表面划伤。圆孔尺寸过小会造成装炉时难以插入，影响操作可靠性。

密集团聚式工装则避免了扶正盘等问题，需要考虑的是零件装炉量加大后，工装底盘的承载能力。特别是渗氮工装使用寿命一般在3年以上，必须考虑多次渗氮后工装的变形量可控。

5.锁轴气体渗氮检测结果分析

将锁轴分别采用密集团聚式和间隔分布式装炉一筐，并在装炉后的零件外侧和中心分别放置1个渗氮试样。渗氮试样随同锁轴一起调质。

（1）硬度梯度和有效渗氮层深度

4个渗氮试样的硬度梯度曲线。可看到试样的表面硬度基本保持920HV，其中密集装炉外侧试样表面硬度960HV。从曲线走势比较，密集装炉试样的硬度梯度较陡，特别在离试样表面0.2mm、0.3mm处，硬度值比均匀间隔装炉的试样分别低了107HV0.3和75HV0.3。密集装炉2个试样的有效渗氮层深度为0.5mm、0.51mm，均匀间隔装炉的2个试样有效渗氮层深度为0.56mm、0.58mm。

（2）脆性级别和渗氮物级别

密集团聚式锁轴内部中心试样的脆性级别和渗氮物级别，依据GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》判定，脆性为1级，渗氮物级别2级，无针状或鱼骨状渗氮物。

6.结语

(1)密集团聚式装炉相比均匀间隔分布式装炉，可大幅度提高装卸炉效率，并减轻了操作者的劳动强度。

(2)密集团聚式装炉对于要求气体渗氮炉具有优良的气氛循环流通能力，工装务必考虑装炉量加大后的承载能力和变形量控制范围。

(3)密集团聚式装炉可应用于硬度梯度要求相对较低的零件，在近似相同的工艺条件下可获得与均匀间隔装炉一致的表面硬度、有效渗氮层深度、脆性和渗氮物级别。

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模具在现代制造业中占有日益重要的地们，特别是汽车和电器制造业中70％以上的零件采用模具制造加工。但目前我国高质量的模具大量依赖进口，分析其主要原因，不在于我们的优质钢炼钢水平，而是没有认识到整个模具钢质量的提高是一个系统控制过程。除冶金质量外，制造过程中的锻压加工、预备热处理、机械加工和终热处理都将影响模具的内部组织和应力状态，从而决定模具的终使用性能。据罗百辉介绍，在模具的制造过程中，模具的使用寿命和制成的精度、质量、表面性能，除与模具的设计、制造精度以及机床和操作等条件有关外，与模具材料及其热处理工艺也有密切关系。据有关的统计表明，模具的早期失效因材料选择不当和内部缺陷引起的约占10%左右，由热处理不当引起的约占50%左右，因此正确选择具有优良质量的模具钢材并进行正确的热处理，具有十分重要意义。模具钢的特性主要包括使用性能、工艺性能和冶金质量等三个方面。

1、模具钢在工作性能方面的要求

①硬度

   模具在工作时受力状态是复杂的，如热作模具通常在交换的温度场下承受交变应力作用，因此它应具有良好的抗软化或塑性变形状态的能力，在长期工作环境下仍能保持模具的形状和尺寸精度。硬度是模具钢的生要性能之一。对冷作模具的硬度一般选择在58HRC以上，而热作模具尤其是要求高的抗热疲劳性能的模具，通常硬度在45HRC左右。对普通使用的塑料模具，一般硬度要求在35HRC左右。

②强度与韧性

   零件在成形使模具承受着巨大的的冲击、扭曲等负荷，尤其是现代高速冲压、高速精密锻造和液态成形等技术以及一次成形技术的发展，模具承受着更大的负荷，往往由于钢材的强度和韧度不够，造成型腔边缘或局部塌陷、崩刃或断裂而早期失效，因此模具热处理后应具有较高的硬度和韧度。

③耐磨性

   零件成形时材料与模具型腔表面发生相对运动，使型腔表面产生了磨损，从而使得模具的尺寸精度、形状和表面的粗糙度发生变化而失效。磨损是一种复杂的过程，影响因素很多，除取决于作用于模具的外界条件外，还在很大程度上取决于采用钢材的化学成分不均匀性、组织状态、力学性能等。

④疲劳性能

   模具工作时承受着机械冲击和热冲击的交变应力，热作模具在工作的过程中，热交变应力更明显地导致模具热裂。受应力和温度梯度的影响而引起裂纹，往往是在型腔表面形成浅而细的裂纹，它的迅速传播和扩展导致模具失效。另外，钢的化学成分及组织的不均匀，钢中存在的冶金缺陷如非金属夹杂物，气孔、显微裂纹等均可导致钢的疲劳强度降低，因为在交变应力的作用下，首先在这些薄弱地区产生疲劳裂纹并发展为疲劳破坏。

⑤粘着性

   工模具零件的表面由于两金属原子相互摭用或单相扩散的作用，往往会有一些被加工金属粘附着，尤其是一些切削、剪切工具和冲压工具的表面会产生粘附或结疤现象，这会影响刃口的锋利程度和局部组织、化学成分的改变，使刃口部分崩裂或粘附金属的脱落划伤模具，使工件表面粗糙。