氮化热处理技术在工艺美术的应用
Abstract: During the technical alteration of shiplock by the administration department of Jiangsu province, the nitrding heat treadment technics were used to highly enhance the abrasion resistance and the fatigue strength of steel, and improve the corrosion resistance and the resistance against impact, thus it improves the service performance of moving parts in the important shiplock and prolongs the heavy repaid periods of shiplock. The experiment and practice indicates that the bearing socket made by 38CrMoAlA treated with nitrding heat and its moving parts can safely operate over 2 hundred thousand times without lubricate.
Key words: shiplock; moving parts; nitrding; abrasion
摘要：利用氮化热处理工艺提高钢的耐磨性能与疲劳强度,改善耐蚀性能和抗擦伤性,可大幅度提高重要船闸运转件摩擦副使用性能,延长船闸的大修周期。实验及实践应用表明,经氮化处理后的38CrMoAlA钢制作的蘑菇头帽、蘑菇头摩擦副在水润滑状态下可安全运转20万次以上。
关键词：船闸；运转件；氮化；磨损
运用于船闸中闸、阀门运转处的零部件(简称运转件)需要具有良好耐磨性、抗疲劳强度、耐蚀性和抗擦伤性能,以保证船闸的安全运行,延长船闸的大修周期。要保证运转件的上述性能,必须保证零件表面得到高硬度和高耐磨性,同时心部要有强而韧的组织。
1. 问题的提出
江苏省交通部门管理的省属船闸到2005年底有55座,这些船闸主要分布在干线航道上,承担的运输任务十分繁忙,处于重要航道上的船闸每天需开50个以上的闸次。由于大多数船闸为20世纪80年代以前建造的,技术含量偏低,不能适应船闸频繁开启的需要。许多船闸由于运转件故障,经常停航进行抢修或提前抽水大修,给水上运输带来一定的影响。如京杭大运河苏北段10座80年代建造的二线船闸,基本上都是使用约5万闸次后,因运转件磨损失效而停航大修。
国内外大多数人字门(三角门)船闸蘑菇头摩擦副材料匹配的基本情况是:蘑菇头用低合金钢制作,蘑菇头帽为铸造铜合金制作。从多年使用的情况来看,使用铸造青铜制作的蘑菇头帽耐磨性能较差,一般运转3万~4万次就报废。运转件不耐磨的主要原因是:①运转件摩擦副匹配不当;②铸件、锻件制作缺陷;③运转件没有进行热处理或热处理不合理;④摩擦副处于无润滑或润滑不良状态。20世纪90年代初期,为了解决人字门(三角门)船闸水下运转件蘑菇头摩擦副的磨损问题,结合船闸的技术改造,我们在材料的匹配上进行了改革,决定采用锻造合金钢制作蘑菇头及蘑菇头帽,取代过去的钢对铸铜的摩擦副。
2. 氮化工艺的实际应用
氮化工艺具有提高钢的表面硬度,增强其抗粘着磨损能力的特性。另外,它还具有处理温度低,零件变形量小的优点[1]。
2•1 38CrMoAlA氮化钢
38CrMoAlA钢系传统采用的氮化钢,具有良好的氮化工艺性能和综合力学性能。经氮化处理后表面硬度可达HV950~1 200,并具有较高的抗疲劳强度和抗腐蚀能力[2]。
人字门(三角门)船闸底枢中的蘑菇头轴瓦称为蘑菇头帽。1995年前江苏交通部门管理的省属船闸水下运转件摩擦副均在水润滑状态下工作,1995年后开始采用ZB1-M16多点润滑泵对船闸各摩擦副进行润滑。1993年为了解决蘑菇头摩擦副在水润滑状态下的耐磨问题,我们开始采用38CrMoAlA氮化钢来制作蘑菇头帽。从船闸大修中拆下的蘑菇头摩擦副磨损情况看,水润滑状态下运转20万次以上,表面磨损在0.5 mm之内,还在安全使用的范围内。而采用ZC-uAl10Fe3铸造青铜制作的蘑菇头帽,同等条件下,运转5万闸次工作表面磨损达8 mm以上。实践证明,用38CrMoAlA钢制作的蘑菇头帽使用寿命大大高于ZCuAl10Fe3铸造青铜。钢对钢摩擦副材料的匹配是:蘑菇头为40Cr、表面淬火处理HRC50,蘑菇头帽为38CrMoAlA、氮化处理HV900。目前,这种蘑菇头摩擦副材料的匹配形式已成功地用于近30余座船闸的技术改造中。
在设计时相应地降低运转件的表面粗糙度,并采取合理的加工工艺,才能确保提高摩擦副的减磨性能。下面是38CrMoAlA钢的蘑菇头帽加工工艺流程:锻坯→退火→调质→粗车→稳定回火→粗车→精车→开油槽→粗磨→氮化→精磨。退火处理是为了消除锻造应力,调质处理可使锻坯的晶粒细化,确保氮化能达到最佳效果。粗车后的稳定回火是为了消除内应力,使工件的精度得到保证。氮化前粗磨、氮化后精磨是确保工件粗糙度等级的关键。
2.2 40Cr钢
40Cr钢是机械制造业的常用钢种[3],也是一种很好的氮化钢,氮化硬度可以达到HV550。在船闸运转件中主要用来制作一些水下运转件的轴类、轨道类、销钉类及螺栓、螺帽类零件。这些零件采用氮化处理的目的,主要是为了提高零件的防腐性能及耐磨性能。实践证明,经过氮化处理的轴类零件其抗磨性能及耐腐蚀性能远超过45号钢表面镀铬的轴类零件。
2.3 球墨铸铁
高牌号球墨铸铁的强度可以达到甚至超过铸钢,高韧度球铁的塑性已接近铸钢水平,通常或常规的热处理同样也适应于球铁[4]。在国内船闸工程中球铁的使用似乎不多见,还有待于船闸工程技术人员对它进行开发。我们在船闸工程中对球铁的应用始于20世纪90年代末,由于球墨铸铁本身含有石墨,具有一定的自润滑性能,主要用在船闸运转件中无法强制性润滑的水下轴套类零件及部分蘑菇头帽。目前使用最多的是牌号为QT600-3的珠光体球铁。
在实际运用中,为了进一步提高球铁运转件的疲劳强度及增加其耐磨性能,我们采用了等离子体氮化技术。球铁零件氮化前必须进行调质处理,以确保氮化质量。球铁氮化后的硬度可达到HV700以上,较大地提高了球铁的使用性能。实践证明,由球铁氮化后制作阀门主滚轮轴套在水润滑状态下可安全使用15万次以上,而用铸造青铜制作轴套使用3万次后则需更换。目前国内一些新建船闸为了解决蘑菇头帽的耐磨问题,使用进口的铜基为主的复合型自润滑材料制作蘑菇头帽,其价格十分昂贵。前些年,我们尝试着用球铁在人字门及三角门船闸制作蘑菇头帽,取得良好的效果。到目前为止,一些船闸蘑菇头摩擦副已安全运行15万次以上。实践证明,经氮化处理后的球铁是一种优良、廉价的自润滑工程材料。
3. 船闸运转件磨损实验
3.1 船闸运转件快速磨损实验
本试验由清华大学摩擦学国家重点实验室承担。试验机采用销盘试验机。载荷为84.3 N,销与盘的相对滑动速度为0.45 m/s。试验总滑动行程4万m(相当于繁忙人字门船闸蘑菇头摩擦副运行15年)。盘的材料为GCr15,淬火硬度HRC55。销材料共计17种。润滑方式有2种:连续供水润滑和锂基脂+3%MoS2润滑。所有销试样均试验到剧烈磨损阶段,即销试样失效阶段。
实验分别对全部试样进行磨损量测定,磨损量测定采用失重法。表1是部分试样的实验结果。表1显示在水润滑状态下4件合金钢销样及一件球墨铸铁试样完成了实验总行程4万m的要求,在锂基润滑脂润滑状态下全部试样完成了实验总行程4万m的的要求。17号氮化钢试样耐磨性能最好,可以满足水润滑下工作的船闸运转件的耐磨性能。大部分材料的硬度越高,耐磨性能越好。
但4号试样是个特例,从显微硬度来看,它的硬度最低,但其耐磨性能与合金钢氮化后相当。这是因为球铁中含有的石墨在磨损时起到了很好的减磨作用,特别在水润滑状态下作用更加明显。从整个实验情况看,在锂基润滑脂润滑状态下,材料的耐磨性能得到大幅度的提高。
3.2 船闸运转件模拟磨损实验
设计制成按比例10∶1缩小的船闸运转件,在模拟实际使用条件下进行实验。为使实验摩擦副与实际工况相似,在实验机上安装一加载油缸,以便调整摩擦副上的作用力。制造2种模拟磨损试验机,分别模拟人字闸门和平面阀门的运转件摩擦副的磨损情况。润滑方式有3种:无润滑、水润滑和二硫化钼锂基润滑脂润滑。共试验了数十种材料组成的摩擦副。
实验分为材料的失效实验及破坏性实验2种。模拟磨损实验结果表明,合理的材料匹配型式及热处理方法,均可保证摩擦副在水润滑状态下运转20万次无故障。表2是破坏性实验的数据。实验是在无润滑的情况下进行,加载油缸油压从0开始,每次递增1 MPa,至6 MPa后每次递增0.5 MPa。每运转100次,增加1次油压,直至蘑菇头摩擦副中发出异常响声时实验结束。各摩擦副试样的平均接触极限应力应该是摩擦副产生粘着磨损之前的平均接触应力。
在无润滑状态下4号试样抗磨能力最强,当摩擦副发出异常响声停机时蘑菇头及蘑菇头帽试样表面光滑无磨损,此时加载压力和摩擦副的平均接触应力比其他几组试样要高,虽然3号试样与其相同,但3号试样已严重磨损。由4号试样的实验结果得知,氮化处理将显著地提高钢对钢摩擦副的抗磨能力。另外,停机时摩擦
