時效硬化滲氮鋼的開發(fā)與應(yīng)用

杜樹芳

中國科學(xué)院長春光機所 吉林長春 130012

1 序言

滲氮可以在微變形條件下，顯著提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性，但是相對滲碳而言，滲氮層薄，基體硬度低，俗稱“蛋殼”現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了滲氮技術(shù)的應(yīng)用范圍。開發(fā)時效硬化鋼就是為了擴(kuò)大滲氮技術(shù)的應(yīng)用范圍。

目前，在表面熱處理領(lǐng)域主要采用三種工藝：滲碳、感應(yīng)淬火和滲氮。滲氮工藝主要問題是滲層較薄、基體硬度較低和滲氮時間較長，解決這些問題是發(fā)展?jié)B氮技術(shù)的主要途徑。

2 滲氮層與滲碳層對比

2.1 滲碳

滲碳工藝是在低碳鋼或低碳合金鋼表層增碳，形成過共析、共析和亞共析組織，經(jīng)過淬火和低溫回火，從表面至里依次獲得高碳、中碳和低碳馬氏體組織，其性能是表面具有高硬度和耐磨性，而心部具有強韌性，并有很好的過渡層組織。但是，受鋼的淬透性影響，滲碳后淬火組織不一定得到理想的高碳馬氏體組織，而且還有淬火開裂和變形等弊病。滲碳的優(yōu)勢是滲層厚，可達(dá)3～5mm，能滿足大多數(shù)重載零件服役條件的要求。滲碳零件在強韌性上有優(yōu)勢，但耐磨性、耐蝕性和抗膠合性能則不如滲氮件。

2.2 滲氮

圖1 滲氮鋼與滲碳鋼的硬化曲線

滲氮工藝可在中碳鋼或中碳合金鋼，以及幾乎所有鋼鐵材料、鈦合金、特種合金表層滲氮，形成化合物層和強化擴(kuò)散層，不需要進(jìn)行高溫淬火，經(jīng)過低溫擴(kuò)散即可得到高硬度耐磨、耐蝕和抗疲勞的滲層。由于采用無相變的低溫擴(kuò)散工藝，因此滲氮件變形小，滲氮層較薄，但是滲氮層有獨特的可控優(yōu)勢，是區(qū)別滲碳工藝的特征，滲氮化合物層的脆性則是滲氮工藝的一項可控缺陷。

滲氮層可以采用控制滲氮氣氛中氮和碳含量，調(diào)整滲氮工藝以及改變滲氮鋼基體合金成分，來實現(xiàn)控制滲氮層表面強化和次表層的強化，并控制和改變滲氮化合物層結(jié)構(gòu)和性能，改善和消除滲氮層脆性。

3 深層滲氮鋼的優(yōu)勢

開發(fā)的時效硬化鋼可以提高滲氮基體硬度和強化擴(kuò)散層，在深層滲氮硬化和時效硬化雙重強化作用下，可以解決滲氮層薄和滲氮件承載能力不足的缺陷。

圖1給出了采用深層滲氮硬化技術(shù)的滲氮與滲碳效果對比。20Cr3MnMoV鋼920℃×2h固溶處理520～540℃×50h深層離子滲氮，38CrMoAl鋼520～530℃×50h離子滲氮，20CrMnTi鋼930℃滲碳＋850℃油中淬火[1]。三種材料不同工藝處理結(jié)果表明，時效硬化鋼深層離子滲氮表面硬度高，表層強化效果顯著，基體硬度高，顯著高于滲碳鋼，更高于38CrMoAl滲氮鋼。

4 深層滲氮鋼的應(yīng)用

由于淺層滲氮次表層強化不足，因此僅適用于輕載和以耐磨為主的服役條件。為了滲氮技術(shù)在重載耐磨和復(fù)雜應(yīng)力條件下的應(yīng)用，研發(fā)了深層離子滲氮硬化技術(shù)并開發(fā)了時效硬化滲氮鋼。

滲氮零件在重載耐磨和重載復(fù)雜應(yīng)力條件下工作時，典型零件如重載齒輪的工作條件，承受接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，滲氮層次表層承受最大的剪切應(yīng)力，滲氮層剝落和疲勞破壞往往發(fā)生在次表層，因此充分強化次表層是滲氮零件能否在重載條件下工作和充分發(fā)揮滲氮強化潛力的關(guān)鍵。

5 時效硬化滲氮鋼的技術(shù)參數(shù)

深層滲氮硬化技術(shù)的核心是滲氮次表層顯著強化和采用時效硬化滲氮鋼，使?jié)B氮基體硬度提高到400～450HV以上。

研制成功兩種時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al和20Cr3MnMoV，試驗用鋼化學(xué)成分見表1。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

時效硬化鋼的特點是采用空冷固溶處理，不需油淬或水淬，以減少淬火應(yīng)力，減少淬火畸變，增加尺寸穩(wěn)定性，而滲氮過程中同時進(jìn)行時效硬化，可得到比調(diào)質(zhì)鋼更強化更穩(wěn)定的基體組織。這種時效硬化鋼滲氮前基體為過飽和固溶體組織（粒狀貝氏體＋板條馬氏體），時效后為一個高強度的穩(wěn)定組織，其強化效果見表2。

開發(fā)的時效硬化鋼目的在于實現(xiàn)滲氮件的深層滲氮硬化，挖掘滲氮的潛力，提高滲氮件的承載能力，拓寬滲氮的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)重載齒輪和重載耐磨件滲氮的工業(yè)應(yīng)用。

這種時效硬化鋼的時效硬化峰值溫度為520～560℃，適合于將滲氮和時效兩個工序合并，實現(xiàn)滲氮硬化和時效硬化同時完成。但是，滲氮硬化的擴(kuò)散過程和時效硬化的沉淀硬化過程，兩者時效因子不同，相互產(chǎn)生影響。經(jīng)過試驗，開發(fā)了一種變溫離子滲氮工藝，優(yōu)先實現(xiàn)滲氮的深層擴(kuò)散硬化，同時兼顧基體時效硬化，實現(xiàn)了深層滲氮硬化的目的。深層離子滲氮硬化曲線如圖2所示[2]。

表2 時效硬化鋼強化效果

圖2 三種鋼深層離子滲氮硬化曲線

試驗結(jié)果表明，時效硬化鋼采用變溫離子滲氮工藝，實現(xiàn)了深層滲氮時效硬化、深層擴(kuò)散和基體強化。20CrNi3Mn2Al鋼和20Cr3MnMoV鋼空冷固溶處理后，硬度分別為33～36H R C和40～44HRC；經(jīng)過520～540℃×50h深層離子滲氮處理后滲氮表面硬度大于1000HV1，滲氮層深分別為0.75mm和0.60mm；滲氮表面下0.4mm處硬度分別達(dá)到652HV0.1和748HV0.1，滲氮基體硬度分別為431HV0.1（44.5HRC）和488HV0.1（48.5HRC）。

時效硬化鋼表層滲氮硬化和基體時效硬化的疊加效應(yīng)，會造成滲氮件滲氮尺寸發(fā)生微小變化，為了控制和減小這種尺寸變化，在保證滲氮層和基體強化的同時，控制這種疊加效應(yīng)，采用在滲氮前進(jìn)行滲氮件基體預(yù)先部分過時效，實現(xiàn)了精密滲氮件的微變形處理。

預(yù)時效可調(diào)整固溶處理后硬度，以便更適合于機械加工。600～650℃預(yù)時效后，20CrNi3Mn2Al鋼從33～36HRC降至28～31HRC，20Cr3MnMoV鋼從40～44HRC降至35～38HRC。

表3和表4表明，預(yù)時效工藝適用于時效硬化鋼精密滲氮件，可確保滲氮次表層滲氮硬化和基體的時效硬化。

上述試驗結(jié)果和生產(chǎn)應(yīng)用表明，20CrNi3Mn2Al鋼適合于制造有效厚度≤250mm高性能滲氮齒輪和滲氮件，20Cr3MnMoV鋼適合于制造有效厚度≤150mm的重載耐磨件（包括模具）。新鋼種工藝開辟了提高滲氮件性能和擴(kuò)大滲氮工藝應(yīng)用的新途徑。新鋼種工藝和應(yīng)用研究還有許多工作待完成，新鋼種成本還較高，需要深入開發(fā)適合不同應(yīng)用場合的系列滲氮鋼和新時效硬化鋼。

表3 20CrNi3Mn2Al鋼預(yù)時效對滲氮硬化的影響

表4 20Cr3MnMoV鋼預(yù)時效對滲氮硬化的影響

6 結(jié)束語

開發(fā)時效硬化滲氮鋼是研發(fā)深層滲氮硬化技術(shù)的基礎(chǔ)。實現(xiàn)深層滲氮硬化是挖掘滲氮潛力，提高滲氮件承載能力，拓寬滲氮應(yīng)用范圍，實現(xiàn)重載齒輪和重載耐磨件滲氮工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。深入開發(fā)廉價和高性能的時效硬化鋼，完善其滲氮工業(yè)應(yīng)用，對滲氮行業(yè)發(fā)展有重要意義。