弹性轴离子渗氮改气体渗氮工艺

程相飞，驻南方公司军代表室

单位：中国有色（沈阳）冶金机械有限公司

批量生产中，仅对某型航机弹性轴（材料40CrNiMoA）两端齿部局部进行离子渗氮（氮化深度要求0.61～0.85mm），杆部、齿部氮化后变形能控制在要求范围以内，如图1所示。目前使用的离子渗氮炉是自制非标专用设备，设备陈旧、每炉最多加工4件零件且设备运行状态不稳定，设备系统操作主要靠人工经验控制质量稳定性差，严重制约了该型号航机扩大批量生产任务。而现有的精密气体渗氮炉，装炉量多，能对氮势进行自动精确控制，并且能获得较小的渗氮变形。

为了提高生产效率和质量稳定性，对该零件进行气体渗氮工艺试验，摸索对其采用气体渗氮工艺的可行性。渗氮前后对弹性轴的变形情况进行测量，渗氮后对渗氮层深度、组织和表面硬度等进行检测，并将弹性轴气体渗氮后的变形情况、渗氮层质量与离子渗氮后的变形情况、渗氮层质量进行比较。

图1 弹性轴零件示意

1.工艺可行性分析

（1）离子氮化工艺与气体氮化工艺比较

两种工艺方法均使用氨气作为渗氮介质，氮化过程都是渗氮介质分解出活性氮原子、活性氮原子被零件渗氮表面吸收、零件渗氮表面与内部氮元素存在浓度梯度发生扩散过程，氮化过程机理相同；离子渗氮是将工件置于辉光放电的真空容器中以工件为阴极、金属工装为阳极，容器内通入稀薄的氨气在直流高压电场的作用下使氨气电离成离子高速轰击工件阴极表面，并在工件表面失去能量被吸收的过程，气体渗氮是靠氨气受热分解在零件氮化表面产生活性氮原子氮化，渗氮实现的方式不同，只要选定合理的工艺参数，氮化层组织、硬度、深度均可以满足要求。

（2）变形控制及非渗面保护比较

离子氮化通过设计专用工装，氮化部位局部受热变形小，非渗部位保护要求不高；而气体氮化零件整体加热，零件长时间加热存在残余应力释放、氮化层组织应力叠加势必变形大，且所有表面都在渗氮气氛中，若保护不好也存在漏渗问题，但通过合理装炉、采取合适的保护方法，变形、漏渗问题可以得到控制。

2.试验过程

试验批零件加工路线基本为：调质热处理→粗加工→稳定处理→滚齿→非渗氮面镀铜→渗氮→除铜→精加工→检验→入库（渗氮后杆部跳动≤0.08mm）。

零件及试料在精密气体渗氮炉内进行渗氮，零件垂直平稳摆放在料架上，渗氮试料分别吊装在两端齿附近。渗氮工艺：500℃±5℃，1.5～2.5h， 分解率10%～25%升温至530℃±5℃，90～100h，分解率74%～84%。弹性轴非渗氮表面采用镀铜防护。

3.试验结果及分析

渗氮前后对两件弹性轴A、B两端齿部位及杆部变形情况分别进行测量，并与弹性轴离子渗氮后的变形统计情况进行对比，测量及对比情况见表1；渗氮后取试验批弹性轴的试料及一件零件分别进行渗氮层质量检查，并与弹性轴离子渗氮后的变形统计情况进行对比，测量及对比情况见表2。

表1 渗氮前后变形情况

表2 渗氮质量检查情况

渗氮后A、B两花键部位满足变形≤0.055mm的工艺要求，杆部变形达到了0.12mm，不满足≤0.08mm的工艺要求。后续的校正工序仍不能完全有效的解决杆部变形的问题。

弹性轴采用气体渗氮后渗氮层的深度、组织、脆性和硬度等性能满足设计要求；弹性轴零件内腔非渗氮部位采用镀铜进行防护，渗氮后剖切一件零件检查内腔存在0.2mm深度的漏渗氮层。

从试验结果来看，气体渗氮后渗氮层质量能满足设计要求；但存在变形和漏渗等问题。为了解决零件变形问题，从工艺方法上可以从两个方面采取措施：一是调整零件加工路线，增大零件渗氮时杆部内、外圆预留磨量；二是设计工装将零件渗氮时的装炉方式由平稳摆放方式改为垂直吊挂方式从而减小渗氮时的变形、且将零件两头内孔堵塞以减少内腔氮化气氛的流通。零件内腔有漏渗氮层这是由于弹性轴内腔长度直径比达到了13，从而无法获得完整均匀的镀铜层，渗氮时无法起到稳定的防漏渗效果，但采用镀锡能获得完整均匀的保护层。

4.验证性试验

根据上述的工艺试验结果，调整零件加工工艺路线进行验证性试验，对该批零件气体渗氮工艺试验时，增大了零件的杆部外圆及内腔预留磨量，并且在气体渗氮时，非氮化面采用镀锡防护，弹性轴零件由平稳摆放方式改为垂直吊挂方式。

（1）验证过程

验证批试验零件的加工路线基本为：调质热处理→粗加工→稳定处理→滚齿→非渗氮面镀锡→渗氮→机加工去除锡层→精加工→检验→入库（渗氮后杆部跳动要求≤0.12mm）。

该批零件及试料在精密气体渗氮炉内进行渗氮，零件垂直吊挂在料架上，渗氮试料分别吊装在两端齿附近（见图2）。渗氮工艺：500℃±5℃，1.5～2.5h， 分解率10%～25%升温至530℃±5℃， 90～100h， 分解率74%～84%。

图2 改进后装炉示意

1.吊杆2.上堵块 3.卡环 4.工件 5.下堵块 6.隔板架

（2）试验结果

渗氮前后对两件零件A、B两端齿部位及杆部变形情况进行测量，测量情况见表3，渗氮后取试料并剖切一件零件进行渗氮层质量检查，检查情况见表4。

表3 渗氮前后变形情况

表4 渗氮质量检查情况

该批零件A、B两齿轮部位满足变形≤0.055mm的工艺要求，杆部变形满足≤0.12mm的工艺要求；剖切1#零件检查零件中间内外壁未见漏渗氮现象，变形、漏渗问题得到解决。

该批零件进行气体渗氮后，渗氮层深度、组织、脆性和硬度等性能满足设计要求。从两轮试验结果来看，渗氮层的深度、组织和脆性可通过渗氮工艺得到有效控制并满足设计要求；渗氮层的硬度能够控制在要求范围内。通过试验数据对比可以看出，弹性轴零件气体渗氮后的渗氮层的深度、组织、脆性和硬度等性能与离子渗氮层基本相当。

该批弹性轴由平稳摆放方式改为垂直吊挂方式有效的减小了零件的变形量，渗氮后A、B两花键部位实际变形≤0.05mm，杆部实际变形≤0.06 mm，变形情况有了较大的改善，并通过增大零件的杆部外圆及内腔预留磨量，降低了变形要求，有效保证零件加工后的变形合格率。

该批零件采用镀锡进行非渗氮面防护，零件内腔能够获得完整的镀锡层，渗氮时零件内腔能得到有效的防护。

5.结语

通过工艺试验，进行弹性轴加工工艺路线的调整，在弹性轴零件渗氮时，增大杆部外圆及内腔预留磨量，渗氮时采用垂直吊挂装夹的方式，并对非渗氮面采用镀锡进行保护，弹性轴零件可以采用气体渗氮工艺方法代替离子渗氮工艺，零件单炉加工量由4件/炉提高到12件/炉，质量稳定性也得到提升，通过工艺研究成果应用既保证了批量生产零件氮化质量又提高了氮化加工生产效率。

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