31CrMoV9齒圈超深層深氣體氮化工藝

馬良，許愛非，丁盛，顧曉明，黃星

氮化是風電增速箱核心部件內(nèi)齒圈及其他高速重載需耐磨部件的常用最終熱處理工藝之一，其氮化后具有極高的表面硬度和耐磨性、高疲勞強度和高耐蝕性，同時還具有抗咬合、抗擦傷的能力，工件畸變也相對較小。目前國外廣泛使用歐洲牌號鋼31CrMoV9作為內(nèi)齒圈材料，此種材料淬透性好，表面氮化后硬度高，抗耐磨性較為優(yōu)異，國內(nèi)風電增速箱內(nèi)齒圈也越來越多地使用此種材料。

由于31CrMoV9合金元素含量較高（化學成分見表1），特別是釩與氮的親和力較強，另外用于風電增速箱的內(nèi)齒圈，一般滲氮層深度都在0.6mm以上（本文研究的內(nèi)齒圈氮化技術要求見表2），層深已突破了傳統(tǒng)的滲氮層深度，滲氮加熱保溫時間長，在氮化時易形成網(wǎng)狀氮化物，可能由此引發(fā)滲層脆性增加、耐磨性和疲勞強度下降等一系列質(zhì)量缺陷，對于風電增速箱而言，這些質(zhì)量缺陷會產(chǎn)生致命后果。

目前，國內(nèi)外公開報道的對31CrMoV9超深層深氣體氮化工藝的研究較少，本文通過試驗對31CrMoV9齒圈超深層深氣體氮化工藝進行了研究，制訂出了適合31CrMoV9超深層深氣體氮化的工藝。

1.工藝試驗方案

表3為氣體氮化工藝。試驗設備為Aichelin可控氣氛氮化爐，使用三組試樣進行氮化熱處理，試樣尺寸為10mm×10mm×10mm方形試樣，并嚴格控制試樣表面粗糙度，試樣為同熔爐號材料，且為工件本體加高樣調(diào)質(zhì)后取下，加高樣回火工藝為870℃保溫4h淬火，620℃回火4h，試樣硬度均為310～320HBW，組織都為均勻的回火索氏體。氣體氮化工藝采用了三種工藝方案，兩種方案為三段法，有強滲、擴散及退氮三段組成，另一種工藝方案為兩段法，只有強滲及擴散兩段組成。

表1 31CrMoV9的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 31CrMoV9風電增速箱內(nèi)齒圈氮化工藝要求

表3 31CrMoV9氮化工藝試驗方案

2.試驗結果

每種工藝方案均進行三次試驗，試樣后按《GB/T 11354—2005 鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，檢驗項目為氮化層深、氮化物、白亮層深度、疏松及脆性。三種工藝方案試驗結果見表4。氮化物、疏松及圖譜對比如圖1、圖2所示。

3.分析與討論

氣體滲氮的介質(zhì)是氨氣（NH3），氣體滲氮的結果主要由氨在爐內(nèi)的行為來確定，而氨在爐內(nèi)的行為主要由滲氮溫度、滲氮時間及氨的分解率（爐氣氮勢）所影響。因此，31CrMoV9氮化工藝試驗方案主要對滲氮溫度、滲氮時間及爐氣氮勢進行調(diào)整，以期開發(fā)兼具高質(zhì)量和高效率的氮化工藝。

工藝方案1氮化有效時間為104h，為三段滲氮法，第一段在515℃滲氮，使表面形成彌散度較大的氮化物及高的氨濃度，第二段升至525℃，并降低氮勢，使氮原子快速向內(nèi)擴散，第三階段溫度仍為525℃，進一步降低氮勢，進行退氮。從試驗結果看，其層深較深，形成了近似脈狀的較粗氮化物，且白亮層較厚，脆性等級也為2級，試樣壓痕多邊均出現(xiàn)細小裂紋。

工藝方案2氮化有效時間為200h，也為三段滲氮法，氮化溫度有所降低，第一段時間縮短，增加第三段時間，氮化物細條狀，幾乎沒有白亮層及疏松現(xiàn)象，脆性等級為1級，試樣壓痕沒有任何裂紋及塌邊。

試樣工藝方案3為兩段滲氮法，先在505℃滲氮，氮勢介于工藝方案1與工藝方案2之間，第二段升至510℃，氮勢也介于工藝方案1與工藝方案2之間。

31CrMoV9合金元素含量較高，特別是釩與氮的親和力較強，較易形成氮化物，三種工藝方案均存在脈狀氮化物，工藝方案1由于強滲與擴散比較大，擴散時間過短，擴散層中有較多的呈脈狀的氮化物；工藝方案2及工藝方案3中由于氮勢較低，強擴比較小，擴散層中只存在少量的脈狀氮化物。

表4 31CrMoV9氮化工藝試驗方案試驗結果

圖1 各工藝方案金相組織（500×）

圖2 各工藝方案脆性對比（100×）

三種工藝方案中以工藝方案1的試樣表面硬度最高，工藝方案2及工藝方案3的表面硬度相仿，但工藝方案1氮化溫度最高，為515～525℃，其原因主要是由于工藝方案1氮勢最高，其表面生成的氮化物最多，而31CrMoV9氮化的表面高硬度不僅和滲氮溫度相關，還和合金氮化物的數(shù)量和狀態(tài)相關。

31CrMoV9氮化時產(chǎn)生的表面白亮層超標是其氣體氮化的主要問題之一，一般認為白亮層為ε+γ，必須要控制表面的氮化物的含量。工藝方案2得到的白亮層最少，其主要原因是氮化時間足夠長，氮勢足夠低，使試樣內(nèi)外氮濃度達到均勻一致。工藝方案3由于采用相對較低的氮勢和長時間擴散，表面形成的白亮層也較淺。工藝方案1則由于氮勢高，強滲時間長，且溫度高，試樣內(nèi)外氮濃度不均衡，更易生成較厚的白亮層及較差的疏松等級。此外，當白亮層出現(xiàn)明顯疏松時，其脆性也會增加，工藝方案2、3的脆性明顯優(yōu)于工藝1。

4.結語

（1）31CrMoV9超深層深氮化通過對強滲與擴散氮勢及時間的調(diào)整，可以得到較好的氮化效果。

（2）31CrMoV9超深層深氮化在一定溫度范圍內(nèi)，其表面硬度與氮化氮勢有關，但都可獲得較高的表面硬度（800HV左右）。

（3）工藝方案2可以獲得很好的質(zhì)量，且無白亮層，但耗時長，經(jīng)濟性差。工藝方案3既可獲得較好的質(zhì)量，耗時相比工藝2較短，兼顧了質(zhì)量和效率。目前我公司按工藝方案3已生產(chǎn)31CrMoV9齒圈數(shù)百套，質(zhì)量可靠，工藝穩(wěn)定。