稀土催滲在汽摩齒輪軟氮化中的應(yīng)用

重慶三峽職業(yè)學(xué)院 向承翔

稀土元素及其化合物以其獨(dú)特的理化特性被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域，特別是在熱處理工藝上的應(yīng)用更為人們重視。近年來，對(duì)稀土元素在熱處理工藝催滲機(jī)理的研究尤其受到重視，但對(duì)于某些數(shù)據(jù)，如不同的熱處理工藝中稀土加入量的最佳值、最佳溫度等，仍難以確定。重慶三峽職業(yè)學(xué)院校辦工廠加工的摩托車齒輪和鏈輪工藝中，對(duì)一些數(shù)據(jù)的確定進(jìn)行了一系列試驗(yàn)工作，為稀土催滲在軟氮化工藝中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

摩托車汽車齒輪在使用過程中都會(huì)承受沖擊振動(dòng)，并且承受載荷較大，實(shí)際生產(chǎn)中往往選用中低碳合金鋼加工后進(jìn)行表面軟氮化處理的方法，來提高輪齒強(qiáng)度，增強(qiáng)其心部韌性，以承載較大載荷和沖擊，從而提高齒輪表面的硬度，增強(qiáng)其耐磨性。表面軟氮化處理方法具有處理溫度低的優(yōu)點(diǎn)，可以減少齒輪的熱處理變形。但是軟氮化處理齒輪表面滲層較薄，硬度（特別是擴(kuò)散層）較低，并且梯度較大，這對(duì)于有較高疲勞性要求的齒輪是不利的。目前，大多數(shù)廠家都是在軟氮化中加入稀土元素，利用其獨(dú)特的催滲和改性作用，來達(dá)到熱處理后增加滲層厚度、降低硬度變化的梯度，從而提高齒輪材料的耐沖擊性、抗疲勞性和承載能力的目的。這一理論是成熟的，但隨著熱處理設(shè)備、工況、工藝參數(shù)、工件材料等的不同，稀土的加入量也不相同。重慶三峽職業(yè)學(xué)院校辦工廠廠在加工摩托車齒輪和鏈輪工藝中，對(duì)一些數(shù)據(jù)的確定進(jìn)行二輪一系列的試驗(yàn)，并結(jié)合校辦工廠的實(shí)際情況確定了最佳工藝點(diǎn)。

一、產(chǎn)品技術(shù)要求及原工藝

校辦工廠為重慶汽車摩托車廠配套多種規(guī)格的齒輪鏈輪，本文，筆者以驅(qū)動(dòng)齒和鏈輪為例，進(jìn)行試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)齒材料為40Cr，化合物層厚8 μm，硬度為 HV550，質(zhì)量為100 g；鏈輪材料、化合物層厚和硬度與驅(qū)動(dòng)齒相同，滲層厚0.15～0.30 mm。

驅(qū)動(dòng)齒和鏈輪為汽車和摩托車的重要零件，其表面質(zhì)量、硬化層要求嚴(yán)格。原工藝為通氨滴醇560℃，保溫7 h，乙醇120 滴/min，氨氣1 300 L/h。緩冷至200℃以下出爐，基本滿足要求。由于此工藝在緩冷過程中是用氨氣保護(hù)，一般完成一爐要花15 h，氨氣消耗量大。為了縮短時(shí)間，降低成本，提高處理質(zhì)量，現(xiàn)采用稀土催滲工藝進(jìn)行試驗(yàn)。

二、試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備選用南京攝山電爐總廠生產(chǎn)的RN-6K 90 kW 可控井式氮化爐，選用氮?dú)鉃闈B氮?jiǎng)?，選用上海躍龍有色金屬公司生產(chǎn)的80%LaCl 稀土化合物為催滲劑（催滲劑為淡黃色晶粒）。將催滲劑預(yù)先溶于乙醇中，選擇30 g，40 g，50 g 和60 g稀土化合物溶于4 瓶乙醇（每爐只用4瓶），采用滴注法滴入爐內(nèi)，以20CrMo、40Cr、38CrMoAl 材料作試件，20CrMo 正火，其余為調(diào)質(zhì)。進(jìn)行560℃×4 h 軟氮化處理，其他工藝條件基本不變。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將上述材料分別采用4 種不同濃度的催滲劑進(jìn)行4 h 氮化熱處理。原試驗(yàn)工藝參數(shù)檢測結(jié)果見表1，新試驗(yàn)工藝參數(shù)檢測結(jié)果見表2，稀土濃度與滲層厚度、硬度的關(guān)系如圖1所示。

表1 原試驗(yàn)工藝參數(shù)檢測結(jié)果

表2 新試驗(yàn)工藝參數(shù)檢測結(jié)果

圖1 稀土濃度與滲層厚度、硬度之間的關(guān)系

滲氮組織只以材料38CrMoAl 進(jìn)行常規(guī)滲氮熱處理和稀土催滲氮化熱處理對(duì)比，常規(guī)氮化處理在560℃條件下，保溫7 h，處理后局部放大400 倍的常規(guī)氮化組織如圖2所示；稀土氮化處理在560℃條件下，保溫4 h，處理后局部放大400 倍的稀土氮化組織如圖3所示。

圖2 常規(guī)氮化組織

圖3 稀土氮化組織

2.結(jié)果分析。

（1）由圖1可知，滲層在稀土濃度為50 g 時(shí)最厚，稀土量再大，滲層反而增加不大，這是受擴(kuò)散規(guī)律制約的結(jié)果。稀土濃度為50 g 為最佳點(diǎn)，此時(shí)可以顯著提高顯微硬度值。

（2）由圖2、圖3可知，在相同條件下金相組織顯示，稀土氮化產(chǎn)生的網(wǎng)狀氮化物比常規(guī)氮化處理要少得多；在相同稀土氮化條件下，較短的滲氮時(shí)間產(chǎn)生的網(wǎng)狀氮化物幾率更小。并且稀土氮化處理有明顯的ε相白亮層，而常規(guī)氮化處理沒有ε相白亮層。

四、催滲機(jī)理與實(shí)驗(yàn)值的關(guān)系

1.由于催滲作用，加快了氨和乙醇的裂解速度，提高了氣的氮?jiǎng)莺吞紕?shì)。

2.稀土由于化學(xué)性質(zhì)活潑，在加熱保溫過程中，撞擊零件表面幾率高，潔凈了零件表面，加快了吸咐速度、解吸速度和擴(kuò)散速度，使?jié)B層加厚，化合物層疏松情況得到改善，對(duì)ε相層產(chǎn)生了一定的強(qiáng)化作用。

五、結(jié)論

1.稀土催滲效果好，由原來7 h 縮短成4 h，完全滿足技術(shù)要求，節(jié)約電力81元，乙醇和氨25元，每一爐可節(jié)約成本105元，縮短了工人的勞動(dòng)時(shí)間。

2.由于催滲作用，ε相層的疏松情況得到改善，表層硬度有明顯提高。

3.在稀土催滲作用下，雖然時(shí)間減少了3 h，但滲層厚度卻提高了30%～60%。稀土加入量有一最佳值，90 kW 的設(shè)備在50 g 最為理想，升高溫度對(duì)ε相層有明顯增加，加入量過大滲層并不成直線增加，且容易堵塞滴閥，給操作者帶來不必要的麻煩。