滲碳方法對(duì)滾珠絲杠軸組織與性能的影響

陳 榮 李炎錚 黃 新 閔永安

(1.上海匯眾汽車(chē)制造有限公司，上海 200122； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444;3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

汽車(chē)的軸類(lèi)零件通常采用中碳鋼制造并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理[1]，兼具較高的強(qiáng)度和韌性。感應(yīng)淬火可進(jìn)一步提高調(diào)質(zhì)件的表面硬度，改善其使用性能。低碳低合金鋼零件滲碳淬火后表面硬度高、心部韌性好[2]，盡管其材料和工藝成本高于傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)處理鋼，但從節(jié)能減排的角度看，具有輕量化優(yōu)勢(shì)的滲碳汽車(chē)零件更有競(jìng)爭(zhēng)力[3- 4]。零部件的高負(fù)荷、小型化是汽車(chē)輕量化的有效途徑[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外批量生產(chǎn)的汽車(chē)零件廣泛采用密封箱式爐控制氣氛滲碳[6]。近年來(lái)，隨著環(huán)保要求的提高和真空滲碳設(shè)備的快速發(fā)展[7]，對(duì)汽車(chē)零件進(jìn)行真空滲碳的研究和應(yīng)用日益廣泛[8]。

滾珠絲杠軸是新能源車(chē)電動(dòng)助力剎車(chē)系統(tǒng)的重要傳動(dòng)件，要求具有很高的表面硬度和良好的心部韌性[9]。本文試驗(yàn)研究了經(jīng)氣體滲碳、真空滲碳的滾珠絲杠軸的組織和力學(xué)性能，目的是探究適用于滾珠絲杠軸的滲碳方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用直徑30 mm的16MnCr5鋼棒材試制某型滾珠絲杠軸，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 16MnCr5鋼滾珠絲杠軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

經(jīng)過(guò)切削加工的滾珠絲杠軸分別在密封箱式爐和真空爐中進(jìn)行930 ℃滲碳，氣體滲碳介質(zhì)為氮- 甲醇?xì)夥眨瑵B碳后油淬；真空滲碳介質(zhì)為乙炔，滲碳后高壓氣淬。滾珠絲杠軸滲碳、淬火后均在180 ℃回火2 h。

在滲碳的滾珠絲杠軸中部線(xiàn)切割包含一個(gè)滾道的半圓環(huán)試塊，如圖1所示，并制備金相試樣(用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕)。采用Nikon- LV150光學(xué)顯微鏡觀察滾珠絲杠軸外圓面、滾道、凸緣和基體的顯微組織。在拋光態(tài)觀察不同方法滲碳的滾珠絲杠軸外圓面滲層的內(nèi)氧化情況。

采用MH3型顯微硬度計(jì)連續(xù)測(cè)定滾珠絲杠軸外圓(圖1中A- A′)和滾道(圖1中B- B′)截面的硬度分布，試驗(yàn)力1 kg，并確定有效硬化層深度。另外，在滾珠絲杠軸表面以下0.15 mm處測(cè)5個(gè)點(diǎn)的硬度，在滾珠絲杠軸表面以下3 mm處測(cè)5個(gè)點(diǎn)的硬度，即滲層和基體的硬度。

圖1 滾珠絲杠軸取樣示意圖

2 結(jié)果與分析

經(jīng)氣體滲碳和真空滲碳的滾珠絲杠軸的滲層組織主要為細(xì)針狀馬氏體和少量殘留奧氏體。圖2為兩種方法滲碳的滾珠絲杠軸外圓面、滾道、凸緣等部位表面以下約0.15 mm處的馬氏體組織，真空滲碳絲杠軸的組織中顆粒狀碳化物更多。按滲碳層組織圖譜[10]評(píng)級(jí)，氣體滲碳滾珠絲杠軸不同部位的馬氏體為3～4級(jí)，真空滲碳滾珠絲杠軸的馬氏體約為3級(jí)，且較均勻；兩種滲層組織中的殘留奧氏體含量約1級(jí)(體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)10%)。

圖2 經(jīng)氣體滲碳(a,b,c)和真空滲碳(d,e,f)的滾珠絲杠軸外圓面(a,d)、滾道(b,e)和凸緣(c,f)的顯微組織

氣體滲碳滾珠絲杠軸表面以下0.15 mm處的硬度為(753±16) HV1，真空滲碳滾珠絲杠軸相同部位的硬度為(717±8) HV1，但更均勻。

氣體滲碳的滾珠絲杠軸的基體組織如圖3(a)所示，為典型的低碳板條馬氏體，局部晶界有少量貝氏體，基體硬度為(392±16) HV1。真空滲碳的滾珠絲杠軸的基體組織如圖3(b)所示，與前者有明顯差異，板條馬氏體更細(xì)小，原奧氏體晶界不僅有貝氏體，還有少量塊狀和條狀鐵素體。真空滲碳滾珠絲杠軸基體硬度為(311±15) HV1，明顯低于氣體滲碳的絲杠軸。此外，真空滲碳絲杠軸的基體組織比氣體滲碳絲杠軸的略細(xì)。

圖3 經(jīng)氣體滲碳(a)和真空滲碳(b)的滾珠絲杠軸的基體組織

氣體滲碳滾珠絲杠軸的表層有明顯的沿晶界分布且深淺不一的黑色氧化物，深度為12～20 μm，如圖4所示。而真空滲碳滾珠絲杠軸的滲層沒(méi)有類(lèi)似的沿晶界分布的黑色氧化物。

圖4 經(jīng)氣體滲碳(a)和真空滲碳(b)的滾珠絲杠軸近表面的微觀形貌

經(jīng)氣體滲碳和真空滲碳的滾珠絲杠軸不同部位滲層的硬度梯度如圖5所示。以表面至表面以下硬度為550 HV1處的距離作為有效硬化層，氣體滲碳滾珠絲杠軸外圓的有效硬化層深度為0.83 mm，滾道為0.65 mm，二者相差0.18 mm。真空滲碳滾珠絲杠軸外圓的有效硬化層深度為0.85 mm，滾道為0.77 mm，二者相差0.08 mm?？梢?jiàn)，真空滲碳絲杠軸的有效硬化層更為均勻。此外，硬度梯度曲線(xiàn)表明，真空滲碳絲杠軸表面以下約0～0.2 mm處的硬度較低，表面以下約0.2～0.5 mm處的硬度反而高于氣體滲碳絲杠軸的。真空滲碳硬化層的硬度梯度更為平緩。

圖5 兩種方法滲碳的滾珠絲杠軸滲層的硬度梯度

3 討論

3.1 滲碳方法對(duì)滲層顯微組織和硬度的影響

在采用氮- 甲醇?xì)怏w滲碳的過(guò)程中，通過(guò)精確控制強(qiáng)滲和擴(kuò)散階段的爐氣壓力、流量、溫度和碳勢(shì)等參數(shù)，可獲得硬度高、深度適中的滲層。真空滲碳則是周期性地通入乙炔，以滲碳- 真空擴(kuò)散方式實(shí)現(xiàn)滲碳，本質(zhì)上為低壓氣體滲碳，其滲速高于普通氣體滲碳[11]。本文兩種滲碳方法的溫度均為930 ℃，為達(dá)到相同的滲層深度，真空滲碳時(shí)間更短，因此真空滲碳的16MnCr5鋼原奧氏體晶粒更細(xì)小，表現(xiàn)為馬氏體基體組織更細(xì)小。

圖2滲碳層組織對(duì)比表明，與氣體滲碳絲杠軸相比，真空滲碳絲杠軸滲碳組織中較多的碳化物可能源于滲碳后較低的預(yù)冷速度，使得其淬火馬氏體含碳量較低；此外，真空滲碳后高壓氣淬的冷卻強(qiáng)度遠(yuǎn)小于氣體滲碳后的油冷，導(dǎo)致較多的殘留奧氏體，所以滲層硬度略低于氣體滲碳的絲杠軸。

因合金元素含量較少，16MnCr5鋼的淬透性較低，高壓氣淬的冷卻速率較小，滾珠絲杠軸中奧氏體不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而出現(xiàn)鐵素體。氣體滲碳的滾珠絲杠軸采用油淬，晶界未出現(xiàn)鐵素體，因此氣體滲碳的滾珠絲杠軸的基體硬度明顯較高。

3.2 滲碳方法對(duì)內(nèi)氧化的影響

氣體滲碳的滾珠絲杠軸滲層有12～20 μm的黑色內(nèi)氧化層，這是滲碳介質(zhì)甲醇中的氧與16MnCr5鋼中的Si、Mn等易氧化元素發(fā)生反應(yīng)所致。Si、Mn沿晶界的選擇性氧化傾向大于Fe的氧化傾向，從而發(fā)生內(nèi)氧化[12]。真空滲碳?xì)夥諡榫哂羞€原性的低壓乙炔裂解氣氛，僅含微量的氧，滲層未發(fā)生明顯的內(nèi)氧化。

此外，氣體滲碳時(shí)零件表面的Si、Mn等提高淬透性的元素被氧化形成氧化物[13]，滾珠絲杠軸滲層局部淬透性下降而可能出現(xiàn)非馬氏體組織，進(jìn)一步降低滲層的硬度。

3.3 零件幾何形狀對(duì)滲碳效果的影響

氣體滲碳過(guò)程中，爐壓始終為正壓。滲碳?xì)夥昭剌S向流經(jīng)(層流)滾珠絲杠軸表面時(shí)，其外圓面能持續(xù)均勻地得到新鮮滲碳?xì)夥?。但由于可能?huì)出現(xiàn)局部紊流，內(nèi)凹的滾道表面不能獲得足夠的新鮮滲碳?xì)夥?如圖6(a)所示)，滲碳效果比外圓面差。因此，氣體滲碳的滾珠絲杠軸滾道的有效硬化層深度明顯小于外圓面。真空滲碳是通入乙炔滲碳?xì)夥諠B碳-抽真空的脈沖式循環(huán)過(guò)程[14- 15]，爐壓始終為負(fù)壓，在下一個(gè)循環(huán)通入乙炔前，滾道殘留的氣氛很少，難以阻礙滲碳?xì)夥盏牧魍?如圖6(b)所示)，滾道表面獲得的新鮮滲碳?xì)夥张c外圓面無(wú)明顯差異，因此真空滲碳的滾珠絲杠軸的有效硬化層更均勻。

圖6 氣體滲碳(a)和真空滲碳(b)過(guò)程中爐內(nèi)氣氛流過(guò)滾珠絲杠軸表面的示意圖

氣體滲碳時(shí)，工件形狀、裝爐方式等會(huì)影響新鮮滲碳?xì)夥赵诠ぜ煌课坏木鶆蛄鲃?dòng)，從而影響滲層的均勻性。而真空滲碳過(guò)程中，由于脈沖式抽真空，廢氣易于排出，新鮮滲碳?xì)夥漳芫鶆蛄鹘?jīng)零件的不同部位，因此滲層較均勻。

4 結(jié)論

(1)氣體滲碳和真空滲碳的滾珠絲杠軸的滲層組織主要為細(xì)針狀馬氏體和少量殘留奧氏體，表面硬度均高于700 HV1，滲層深度大于0.65 mm。真空滲碳的滾珠絲杠軸基體組織中有鐵素體，基體硬度低于氣體滲碳的滾珠絲杠軸。

(2)氣體滲碳的滾珠絲杠軸滲層有12～20 μm厚的內(nèi)氧化層，真空滲碳的滾珠絲杠軸滲層沒(méi)有發(fā)生內(nèi)氧化。

(3)真空滲碳的滾珠絲杠軸滾道和外圓面的滲層深度差異小于氣體滲碳的滾珠絲杠軸，工件的幾何形狀對(duì)滲層均勻性的影響較小。