轮胎模具稀土催渗氮化工艺研究

轮胎模具稀土催渗氮化工艺研究内容摘要：

(5)ζ 相的成分相当 Fe2N，具有斜方点阵 ,可看作 ε 相的扭曲变体 ,存在于狭小的温度范围内 (氮的质量分数 WN 为 ～ ％ )。 温度高于 490℃ 时， ζ 相转变为 ε 相。 ζ 相脆性很高，渗氮时不希望它存在。 合金钢渗氮过程中，氮不仅与铁形成化合物，还与合金元素形成化合物。 在共析温度下渗氮时，先形成含氮的 α 相。 当它达到饱和程度后，依次形成铝及钛的化合物，钒钨钼及鉻的氮化物，最后形成铁的氮化物。 继续渗氮， α 相转变为γ’再继续渗氮， γ’相转变为 ε 相。 渗氮时形成的高稳定性合金氮化物在渗层中呈 4 高度弥散状态析出，使渗层具有很高硬度。 而氮化物越稳定，弥散度越高，渗层硬度也越高。 这些合金氮化物在 550℃ 时不会聚集长大 ,渗层仍保持高硬度。 渗氮件的性能 (1)硬度：渗氮层具有很高硬度和耐磨性。 如有些钢渗层表面硬度可达9501000HV，短时缺乏润滑或过热，仍能保持高硬度，所以具有较好的抗咬合性能。 (2)疲劳强度：渗氮零件的疲劳强度显著提高 ,有缺口零件提高幅度更大。 原因是：渗氮表面具有高达 3400MPa 以上的强度，且渗层组织的比容比淬火马氏体的比容还大，造成渗氮层具有更高的残余压应力。 (3)耐蚀性：渗氮层中的 ε 相致容度高，化学稳定性强，因而具有很好的耐蚀性，可以抵抗水﹑过热蒸气及碱性容液的腐蚀。 (4)脆性：一般气体渗氮，表层氮浓度过高， 缓冷过程中析出 ζ 相时，脆性较大 [3]。 钢的常规氮化 钢的常规氮化 为了缩短氮化周期，并使氮化工艺不受钢种的限制，在近年间在原氮化工艺基础上发展了软氮化和离子氮化两种新氮化工艺。 软氮化实质上是以渗氮为主的低温氮碳共渗，钢的氮原子渗入的同时，还有少量的碳原子渗入，其处理结果与一般气体氮化相比，渗层硬度较氮化低，脆性较小，故称为软氮化。 常规氮化方法 主要 分为：气体软氮化、液体软氮化及固体软氮化三大类。 目前国内生产中应用最广泛的是气体软氮化。 气体软氮化是在含有活性氮、碳原子的气氛中进行低温氮、碳共渗，常用的共渗介质有 甲醇 、 乙醇、 氨气，它们在软氮化温度下发生热分解反应，产生活性氮、碳原子。 活性氮、碳原子被工件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的氮碳共渗层。 常规氮化工艺 常规氮化按以下图 的工艺路线操作，采用三段法，第一段强渗阶段 :温度570℃、氨分 30％、保温 10h；第二段 :扩散阶段 :温度 570℃、氨分 60％、保温4h。 第三段退氮阶段：温度 520℃、氨分 90％、保温 2h。 5 图 常规气体软氮化工艺图 常规 氮化存在的问题及不足 通过常规气体软氮化处理 ,能提高了轮胎模具表面硬度，提高了耐磨性、耐蚀性和抗咬合性 ,提高了疲劳强度 ,防止模具表面氧化，提高了使用性能 ,延长使用寿命 ,从而提高了模具的质量。 但是存在以下问题及不足： (1)氮化时间长，渗速过慢，渗层薄，硬度偏低。 轮胎模具通过常规的气体氮化处理主要的目的是提高表面的耐磨性和耐蚀性。 一般情况下表面的耐磨性和耐蚀性主要靠提高氮化的渗层厚度以及表面的硬度来实现的。 目前的要求是经过氮化处理后模具表面的显微硬度 50HRC，氮化渗层厚度应 ，白亮层厚度应 ，因渗速慢的原因要获得以上的性能要求，按照常规气体软氮化所需时间应在 16h 以上，客户如果提出更高的要求，那氮化时间就要求更长，生产周期特别长，对企业的生产与产品的交货期是非常不利的。 缩短氮化时间，渗层太薄，硬度偏低，质量达不到客户的要求。 (2)能耗大。 热处理加工是耗能大户，而化学热处理又是热处理加工中的耗能最多工序。 经过我们粗略的核算，在热处理常规气体氮化过程中，以现有的渗氮设备 95KW 的用电量 ,一炉常规氮化加工过程所耗用的电量大概在 1520KW／时以上 ,耗用的冷却循环水在 3 吨以上 ,氨气用量 在 50Kg 以上 ,甲乙醇用量暂忽略不计。 (3)生产成本高，生产效率低。 根据以上相关的数据我们大概核算 ,每一炉常规氮化加工 ,至少要花费 3000 元左右 (人工的工资除外 ),以每个月加工 20 炉计算的话要花费在 60000 元以上 ,生产成本高 ,而且因为氮化周期长 ,生产效率低下。 国内稀土催渗氮化研究概况 近几年来，国内外很多热处理单位广泛采用各种化学催渗手段来实现加速氮 6 的进程，主要途径是： (1)通过清净和消除钝化膜来改变工件表面活化状态，主要的方法是：加钛催渗渗氮法。 (2)通过电解气相催渗渗氮，是以氨气或氮气为 载体气，将电解气带入渗氮罐中，以加速渗氮过程的方法，主要的方法是：电解气相催渗渗氮法。 (3)通过气体渗氮时，向渗剂中加入稀土元素，稀土原子吸附在工件表面后较易形成许多活性中心，可加速渗氮过程，主要的方法是：稀土催渗氮化法。 其中第 (3)种途径正是本文的研究内容所在，在国内，稀土在化学热处理中的应用始创于哈尔滨工业大学，刘志儒、韦永德教授首先提出将稀土应用于化学热处理渗碳工艺中，并取得良好的效果，在工大教授闫牧夫以及哈尔滨拖拉机厂王冶、王洪春等教授专家的不懈努力下，稀土催渗技术取得长足的发展，工艺技术不断完 善。 形成的稀土催渗工艺在热处理的某些领域得到了很好的推广与应用。 同时在查阅相关的热处理的书刊和杂志时也有见过相关的报道：比如：滴注式稀土碳氮共渗对 20Cr、 10 钢的影响 [4]，低碳钢耐蚀性稀土催渗气体氮化，稀土加速扩散的微观机制进行探讨等相关的报道。 报道中试验实践证明，在化学热处理工艺中采用稀土共渗技术，可以提高渗速，改善金相组织，使工件的机械性能大幅度提高。 可以说稀土共渗技术是降低化学热处理能耗，提高产品使用寿命，达到“节能减排”目标的重要手段。 但是，稀土用在轮胎模具主要用材料 40Cr、45钢氮化这方面 就未见过相关的报道，因此，作为轮胎模具气体氮化的研究者有必要试验和推广该工艺的应用。 为企业节能减排，降低成本出一份力。 本文的研究意义及内容 本文研究的意义 基于以上常规气体软氮化存在的问题以及不足之处。 作为热处理从事的工作者而言，如何如何降低化学热处理的能耗指标。 缩短生产周期，保证和提高氮化质量，降低成本成为了潜心研究的课题。 本文 通过对 轮胎 模具气体氮化催渗工艺的实验研究，系统地探索了模具钢快速氮化处理工艺及氮化工艺的改进方法，探讨了模具钢快速氮化处理工艺对渗层组织性能的影响规律。 探索出一个 合适的工艺方法，从而能解决轮胎模具气体氮化生产中长期存在的渗速过慢，能耗大的问题。 研究的具体内容 7 (1)通过滴注式稀土催渗气体软氮化试验研究，深入了解稀土在氮化过程的影响机理。 (2)采用稀土催渗工艺对渗层组织性能的影响。 (3)稀土的滴注量大小以及滴注量滴管不畅（滴量不稳定）对共渗效果的影响。 (4)要获得相同渗层硬度和渗层深度，稀土催渗工艺和常规氮化工艺在能耗，生产周期的对比，从而确定一个最合适的催渗剂配方以及催渗工艺。 8 2 轮胎模具稀土催渗气体软氮 化工艺研究 轮胎模具简介 当前国内生产子午线轮胎用的硫化模具有两种：活络模 (segment mould)和两半模 (two half mould)。 然而，国内外生产高性能子午线轮胎多采用活络模。 在国外，全钢丝子午线轮胎 (无论是载重轮胎还是乘用轮胎 )都 100％ 使用活络模生产，H 级以上乘用轮胎和 60 系列乘用轮胎也全部使用活络模硫化。 近年来不少轮胎厂对 S 级轮胎也采用活络模生产，有的厂规定断面宽为 155mm 或以下的轮胎规格才能使用两半模。 活络模加液压定型硫化机是生产高性能子午线轮胎最理想的硫化设备。 活络模是硫化子午线轮胎的专用模具，采用活络模生产子午线轮胎的原因是：子午线轮胎的外胎胎坯的外直径大于硫化模型花纹沟底部直径，用两半模型硫化时，容易产生胎冠厚薄不均匀和帘线排列不正；若胎坯外直径小于硫化模型花纹沟底部直径，则会引起胎坯膨胀较大，而导致带束层宽度缩窄，帘线的角度和密度都会有较大的变化。 因此，子午线轮胎硫化使用两半模型，就不能保证硫化后成品的质量，特别是钢丝载重子午线轮胎，花纹深，胎体硬，硫化了的外胎从两半模型拉出时，容易造成花纹裂口或损坏模具等；而改用胎冠部分可径向分合的几小块的活络模型，便可避 免这些问题。 活络模是硫化子午线轮胎的专用模具，由花纹圈、上侧板、下侧板、向心机构四大部件构成，其中花纹圈由径向可分合的花纹块组成。 花纹圈、上侧板、下侧板组合后保证轮胎形状及轮胎设计参数，向心机构保证花纹圈、上侧板、下侧板的组合达到设计精度并与轮胎硫化机接口，随硫化机的运动协调运作，完成硫化轮胎的制作。 因此，活络模属于一种径向收缩式开合模具，具有独特的径向运动，在合模时，活络模块能自动地向已定型的生胎合拢；在卸胎时，活络模块能自动地脱开硫化了的外胎，使胎冠和胎体不受损坏，有利保障外胎质量和装卸轮胎便利。 活 络模具一般由壳体和型腔两大部分构成，其中型腔部分由保证轮胎成型的零部件组成，如上下侧模、花纹圈、上下钢圈等。 壳体由上盖、底座、中套、弓形座等几大部件组成，是用来保证型腔部件做开合运动，从而通过硫化机压出轮胎花纹及胎侧图案的一种向心活络机构，因此又称之为向心机构，向心机构就是 9 安装活络模块并使之产生径向收缩运动和施加足够合模力的机构。 其开合动作原理如下： 开模 —— 与硫化机上辅板相连的中套，随着上辅板的升起，中套通过与内锥面平行安装的导向条、压板来带动弓形座 (一般为 8— 10 等分 )作向外的径向滑动，达到规定行程。 由 于限位块的作用，弓形座被中套带起，此时处于开模状态。 合模 —— 与上述动作相反，中套下落，依靠与弓形座配合的内锥面，促使弓形座内径作向内的径向滑动。 中套下降到底部时，装有花纹块的弓形座合模到位，即花纹块口径只与上下侧模外径紧密接触，拼合成一个整圆。 开模、合模如图 所示。 图 . 轮胎模具开模、合模状态图 稀土催渗氮化基本原理 由大量的资料考核证明，碳氮共渗过程中加入稀土元素可使渗速加快，即有明显的催渗作用。 稀土的催渗作用，本质上来源于稀土特有的电子结构，即稀土具有 4f 壳层结构，而且电负性较 小，因而稀土具有突出的化学活性。 另一方面从热力学的角度来看，稀土与许多非金属元素自由焓的增量均为较。