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關(guān)于上銀直線導(dǎo)軌離子氮化變形的控制
閱讀：1044 發(fā)布時間：2022-7-28
通過試驗，找出上銀導(dǎo)軌離子氮化變形的規(guī)律，并采用相應(yīng)的工藝措施，使長度760 mm 的導(dǎo)軌，在離子氮化后，可使上銀導(dǎo)軌底基面彎曲的極限偏差和側(cè)基面彎曲的極限偏差滿足有關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定的5 、6 級精度的技術(shù)條件。現(xiàn)將有關(guān)試驗情況介紹如下。
一、導(dǎo)軌規(guī)格、用材及技術(shù)要求
試驗導(dǎo)軌型號有兩種，即HG25型，外形尺寸23 mm×22. 5mm×760mm；LG30 型，外形尺寸28mm×27. 5mm×760mm。導(dǎo)軌如圖1 所示，其中無括號數(shù)字為HG25 型尺寸，括號內(nèi)數(shù)字為HG30 型尺寸。
離子氮化導(dǎo)軌用材為38Cr MoAl A 鋼，毛坯為熱軋棒材，直徑分別為40 mm 和50mm，經(jīng)切削加工成形。導(dǎo)軌氮化的技術(shù)條件： 表面硬度≥650HV ，氮化層深度≥0. 4mm，脆性≥2 級，變形量的檢驗方法和允差見圖2 、圖3 和附表。
二、預(yù)先熱處理
上銀導(dǎo)軌毛坯選用兩種預(yù)先熱處理工藝，即退火和調(diào)質(zhì)。退火工藝： 870 ℃ 保溫2h，爐冷至500 ℃ 以下出爐空冷。硬度≤229HBW。調(diào)質(zhì)： 930 ～940 ℃ 保溫1. 5h，油冷淬火；隨后680 ℃回火3h，空冷。硬度25 ～28HRC。經(jīng)預(yù)先熱處理的導(dǎo)軌毛坯，在完成刨平面、銑溝槽和鉆安裝孔等粗加工工序后，進(jìn)行次去應(yīng)力退火。在精刨溝槽、刨鋼絲槽和粗磨四個平面等精加工工序完成后，再進(jìn)行第二次去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火工藝( 兩次退火工藝均相同) ： 溫度650 ℃保溫2h，爐冷至250 ℃以下出爐。
三、中國臺灣上銀導(dǎo)軌離子氮化試驗結(jié)果及其分析
( 1) 離子氮化工藝規(guī)范 供上銀導(dǎo)軌氮化用的設(shè)備為額定輸出直流電流為30A 的立式離子氮化爐。氮化溫度和時間分別為： 530 ℃/ 8h、550 ℃/ 15h、550 ℃/ 22h 和560 ℃/ 10h。
( 2) 氮化層的組織、表面硬度及硬度梯形38CrMoAl A 鋼經(jīng)530 ℃/ 8h 離子氮化后，滲層組織由表及里依次為ε→ε+ γ′→α+ γ′→心部組織。其特征是：最表層厚度0. 02 ～0. 03mm 白亮色化合物層，即ε相。緊靠白亮色化合物層的次表層，出現(xiàn)脈狀組織，厚度0. 01 ～0. 15mm，相成分為ε+ γ′。往后是擴(kuò)散層，相成分是α+ γ′。再往里是心部組織。在金相分析中還可以看到，氮化前的金相組織和氮化工藝參數(shù)對氮化后脈狀組織的含量有較大影響。退火組織在氮化過程中形成脈狀組織的傾向比調(diào)質(zhì)組織大得多，而且氮化溫度越高，氮化時間越長，均促進(jìn)脈狀組織的形成。
經(jīng)不同預(yù)先熱處理的38CrMoAl A 鋼于540 ～560 ℃離子氮化22h，硬度沿氮化層的分布如圖4 所示。
由圖4可以看到，經(jīng)上述工藝處理后，氮化層深度保持在0. 50mm 以上。氮化層的硬度梯度與預(yù)先熱處理有關(guān)。在相同的離子氮化工藝條件下，退火狀態(tài)導(dǎo)軌約0. 2mm的外表層硬度比調(diào)質(zhì)狀態(tài)高，離表面0. 1mm 處，退火狀態(tài)的硬度高于800HV100 ，而調(diào)質(zhì)狀態(tài)此處的硬度僅保持650HV100 ；離表面0. 15mm 處，退火狀態(tài)的硬度仍然高于700HV100 ，但調(diào)質(zhì)狀態(tài)此處的硬度已低于600HV100 。
四、離子氮化導(dǎo)軌變形的規(guī)律性
按前述規(guī)范對上銀導(dǎo)軌進(jìn)行離子氮化。氮化導(dǎo)軌的變形規(guī)律: 底基面A 的變形較大，呈凸起狀態(tài)； 側(cè)基面B變形較小，彎曲量小于0.1mm。
A 面變形量與導(dǎo)軌截面尺寸和熱處理( 包括預(yù)先熱處理) 工藝參數(shù)等因素有關(guān)。
( 1)導(dǎo)軌截面尺寸越大，氮化后的變形就越小 例如，LG35 型導(dǎo)軌的截面積比LG25 型導(dǎo)軌約大50 %，兩者在氮化前均經(jīng)退火處理，隨后經(jīng)溫度530 ℃離子氮化8h。氮化后，LG35 型導(dǎo)軌A 面的彎曲量為0.245mm，而截面小的LG25 型導(dǎo)軌A 面的彎曲量則為0.489mm，即氮化后截面積大的導(dǎo)軌的變形量比截面積小的導(dǎo)軌減少了1 倍。
截面積的增大，意味著導(dǎo)軌剛度( 截面積與彈性模量乘積) 增強(qiáng)。因此，抵抗外力( 氮化過程產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力) 形變的能力增強(qiáng)，故此截面積較大的導(dǎo)軌在氮化過程中的變形較小。
( 2)預(yù)先熱處理對變形的影響 分別經(jīng)退火和調(diào)質(zhì)預(yù)先熱處理的LG25 型導(dǎo)軌，在相同的工藝參數(shù)下( 550 ℃/ 15h) 進(jìn)行離子氮化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管是退火還是調(diào)質(zhì)的導(dǎo)軌，對氮化導(dǎo)軌B面的變形沒有多大的影響，彎曲量維持在0. 050 ～0. 060mm范圍內(nèi)，但對A面的變形影響很大，退火導(dǎo)軌氮化后A 面的相對彎曲量已達(dá)到0. 4mm，而調(diào)質(zhì)導(dǎo)軌的彎曲量更大，竟達(dá)1. 8～1. 9mm。
預(yù)先熱處理對變形的影響如此明顯，與預(yù)先熱處理組織的穩(wěn)定性有關(guān)。退火組織接近于平衡組織，在氮化過程中基體組織處于較穩(wěn)定狀態(tài)，故氮化后導(dǎo)軌的變形較小。調(diào)質(zhì)導(dǎo)軌則不同，它的基體組織回火索氏體處于亞穩(wěn)狀態(tài)。雖然氮化溫度低于調(diào)質(zhì)時的回火溫度，也低于去應(yīng)力退火的溫度，但在氮化長時間的保溫過程中，碳原子獲得能量進(jìn)行擴(kuò)散聚集，力圖向平衡狀態(tài)過渡。這一過程對上銀導(dǎo)軌應(yīng)力狀態(tài)的改變顯然比退火強(qiáng)烈得多，因此，調(diào)質(zhì)導(dǎo)軌氮化的變形比退火導(dǎo)軌大是預(yù)料之中的情況。
( 3)氮化時間越長，變形越大 氮化時間對側(cè)基面B 的變形沒有明顯的影響，氮化時間長達(dá)22h，B 面的相對變形仍小于0. 1mm。氮化時間對底基面A 變形的影響卻很大，隨著氮化時間的延長，A 面的變形就越大，其相對變形量甚至超過1mm ( 見圖5) 。
，氮化時間越長，氮原子滲入的深度就越深，伴隨表層單位體積的增加就越大，因此東莞上銀直線導(dǎo)軌的變形也隨氮化時間的增長而增大。
( 4) 局部氮化對變形的影響從上述試驗結(jié)果可以看到，各種因素對側(cè)基面B 變形的影響不大明顯。而底基面A 就不同了，任何一個因素稍有輕微變動，對它變形的影響就十分強(qiáng)烈了，這與導(dǎo)軌滲氮面的不對稱性有密切關(guān)系。在圖1 橫截面通過中心點(diǎn)O 作垂直O(jiān)P 和OQ。OP 將導(dǎo)軌左右分開，側(cè)基面B 及其相對應(yīng)的另一個側(cè)面的幾何形狀大致相對稱。因此，在氮化過程中體積效應(yīng)和應(yīng)力狀態(tài)的改變，兩個對稱面都能互相抵消，故比B 面的變形較小。現(xiàn)在再來看看OQ 將導(dǎo)軌上下分開的情況又怎么樣呢? OQ 線上半部有溝槽、有安裝螺孔的深頭螺孔( 大頭螺孔)； OQ 線下半部分只有小孔螺孔、底基面A 及其A 面退刀槽。OQ 線上半部的表面積比下部大得多。A 面與B 面的對稱性相比較，兩者形成強(qiáng)烈的反差。
由于上銀直線導(dǎo)軌上下兩部分不對稱性，氮化上銀導(dǎo)軌上半部氮化層單位體積的增加比下半部大，即上半部的體膨脹比下半部大。上半部體膨脹受到中心的抵制也比下半部強(qiáng)烈，再加之上半部的剛度比下半部小，受外力作用下變形來得更容易。因而導(dǎo)致導(dǎo)軌氮化后出現(xiàn)如圖2 所示的強(qiáng)烈彎曲。
基于底基面A 對整條導(dǎo)軌的變形起著主導(dǎo)影響作用，而A 面的變形是由導(dǎo)軌上下表面面積不對稱所引起的。因此如果要減少氮化導(dǎo)軌變形，應(yīng)該減少“不對稱” 因素的影響。將A 面及其所對應(yīng)的另一個表面屏蔽起來進(jìn)行氮化，導(dǎo)軌氮化后氮化層的分布基本上處于對稱狀態(tài)，這有利于減少氮化導(dǎo)軌的變形。試驗結(jié)果表明，上述措施的局部氮化對減少導(dǎo)軌的變形，尤其是A 面的變形是十分有效的。例如，38CrMoAl A 鋼制LG30 型導(dǎo)軌( 預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)) ，離子氮化后A 面的彎曲量為0. 17mm，滿足有關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定的5 級精度的技術(shù)要求。
五、結(jié)語
( 1) 中國臺灣上銀導(dǎo)軌離子氮化的變形有明顯規(guī)律性，都是拱起(圖3相對于檢測平臺) 。變形的主要原因是氮化面不對稱所引起的。
( 2) 采用局部氮化法，減少氮化面的不對稱性，可顯著減少氮化導(dǎo)軌的變形。
( 3) 離子氮化導(dǎo)軌變形小，又是在真空的狀態(tài)下進(jìn)行處理，對氮化前后表面質(zhì)量沒有明顯影響，上銀導(dǎo)軌的氮化可安排在精磨后進(jìn)行，這樣可以保證導(dǎo)軌有較深的氮化層深度。