30CrMn力學性能及氣體氮化工藝性能研究

黃斌　麻少博

摘 要 本文對30CrMn力學性能及氣體氮化工藝性能進行了分析。

關鍵詞 30CrMn 力學性能 氣體氮化工藝

中圖分類號：TG174.44 文獻標識碼：A

0引言

通過氣體滲氮，能夠明顯的提高機械零件的表面硬度、疲勞強度及耐磨性，同時由于氮化溫度低，氮化零件變形小、尺寸穩(wěn)定，除此之外氮化零件還具有良好的紅硬性及耐腐蝕能力，因此氣體氮化得到了廣泛的應用。但是氣體氮化也有生產周期長、生產成本高等缺點。以常用的氮化用鋼42CrMo為例，要達到0.3mm的氮化層深，所需要的氮化時間基本在25-30h左右，滲速約為0.008-0.01mm/h。

因此，人們一直在探索新方法，以縮短滲氮生產周期。目前，主要從以下幾個方面進行努力：（1）研發(fā)新的氮化鋼；（2）采用物理或者化學的方法加快滲氮速度；（3）調整滲氮工藝。30CrMn是由國外引進的一種氮化鋼，目前國內沒有關于這種材料的氮化資料。為此，我們以42CrMo為參照對象，通過大量的工藝試驗，對30CrMn的綜合力學性能及氮化性能進行了研究，確定了這種材料的氮化工藝，同時為公司創(chuàng)造了可觀的經濟效益。

1試驗設備和材料

試驗設備：PDA-8000直讀光譜儀、CMT-5305微機控制電子萬能試驗機、GX71倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡、KREs5/2-90/85/150CN可控氣氛罐式氣體氮化爐、VKEs5/2-90/85/150CN箱式多用爐、TUKON2500-6顯微硬度計等。

試驗材料：42CrMo、30CrMn。兩種材料的具體成分見表1。

2.1試樣的加工

為保證試驗的準確性，試樣按照與滲氮零件相同工藝流程進行加工：下料→鍛造→正火→粗車→調質→精車→氣體氮化。

2.2試樣的調質

對氣體氮化零件來說，即調質硬度對零件最終氣體氮化的表面硬度、氮化層深度梯度有著顯著地影響，因此，為了對比30CrMn和42CrMo這兩種材料的氮化性能，同時排除不同調質硬度對氮化性能的影響，本試驗將兩者的調質硬度均控制在HRC30-31，且金相組織均為100%的回火索氏體。為防止脫碳，調質加熱過程均采用碳勢保護，同時淬火參數(shù)兩者完全相同。30CrMn的調質工藝為：870℃€？h保溫+600℃€？h回火；42CrMo的調質工藝為860℃€？h保溫+610℃€？h回火。

2.3試樣的氣體氮化

調質后的試樣經過精車，使表面光潔度達到Ra0.8。氣體氮化在愛協(xié)林KREs5/2-90/85/150CN可控氣氛罐式氣體氮化爐中進行，該設備采用氫探頭準確測量爐內氮勢，計算機根據(jù)設定的氮勢值通過質量流量計控制通入爐內的氨氣及氨氣裂解氣，使裂解氨的流量增大或減小，從而調節(jié)爐內的氮勢值與設定值一致。30CrMn和42CrMo的氣體氮化工藝見表2。

3試驗結果及分析

根據(jù)GB/T228.1-2010標準檢測材料力學性能，可以看出30CrMn的延伸率、端面收縮率基本與42CrMo相近，屈服強度、抗拉強度、沖擊吸收功略低于42CrMo。

根據(jù)GB/T11354-2005標準檢測隨爐試樣?？梢钥吹?，在相同的氣體氮化工藝下，30CrMn和42CrMo的白亮層深、脆性級別、氮化物級別基本相同，30CrMn的表面硬度明顯高于42CrMo，其氮化層也比42CrMo深。短時滲氮（1#工藝）情況下，雖然兩者的氮化層深度比較接近，但30CrMn的表面硬度比42CrMo高出約28 %。2#、3#、4#氮化工藝條件下，30CrMn的表面硬度也比42CrMo高出約30%，氮化層深度前者基本上是后者的1.3倍。同時由表可以看出，42CrMo氣體氮化后表面硬度最高可以達到650HV，而30CrMn氣體氮化硬度甚至可以達到820HV。

若機械零件要求氮化層深度不小于0.3mm，在相同的調質硬度下，如果選用30CrMn，使用2#氮化工藝即可滿足要求，總的工藝時間為13h；如果選用42CrMo，則必須采用3#或者4#工藝，與2#工藝相比，工藝時間分別延長了12h及10h。

綜上，與42CrMo相比較，30CrMn具備更加優(yōu)異的氮化性能。鋼中的氮化物形成元素，如Cr、Mo、V、W、Al、Ti、Nb等能在€%Z相中形成微細的氮化物顆粒，對€%Z相起到強化作用，從而提高氮化層硬度及強度。其中，Al、Ti、Nb、V是最有效的強氮化元素，其次是Cr、Mo、V等元素。雖然30CrMn不含Mo元素，但是V和Al的含量卻高于42CrMo，這就是30CrMn比42CrMo具有更高的氮化硬度、更快的氮化速度的主要原因。

4結語

（1）與42CrMo相比，30CrMn是更為優(yōu)異的氣體氮化用鋼，其滲速快，氮化硬度高，最高可以達到820HV左右。

（2）30CrMn與42CrMo的綜合力學性能接近，在大多數(shù)情況下，可以用30CrMn代替42CrMo作為氣體氮化用鋼，能有效提高產品氮化質量、縮短氮化周期，提高設備利用率，增加產能，除此之外，還能夠有效的節(jié)約能源、減少輔料（氨氣等）的消耗。