氣體滲氮工藝新進展及在汽車零部件上的應(yīng)用

余金科，趙俊平，牛恩來，王祖勇，吳永強，李少兵，樊曉光

東風商用車技術(shù)中心 湖北十堰 442001

1 序言

氣體滲氮就是向密封的爐罐中通入含氨氣體，并加熱到一定溫度，使分解出的氮原子滲入到工件表層的熱處理工藝。氣體滲氮具有處理溫度低、適用鋼種多、強化效果顯著，以及工件畸變小、耐磨、耐腐蝕及抗疲勞等優(yōu)勢。氣體滲氮廣泛應(yīng)用于精密機械零件以及工模具制造等領(lǐng)域。對于熱作模具還能提高其抗黏附、抗咬合性能，并能抵抗鋁液對模具的熔損作用。雖然氣體滲氮在生產(chǎn)上應(yīng)用最早，但傳統(tǒng)氣體滲氮工藝容易產(chǎn)生疏松、多孔的化合物層，滲層脆性大，滲氮層深度較淺，基體的強度低于滲碳層，因而限制了該工藝的發(fā)展和應(yīng)用。

隨著計算機技術(shù)在熱處理方面的應(yīng)用，氣體滲氮的氮勢可實現(xiàn)自動控制。此外，隨著深層滲氮和快速滲氮技術(shù)的發(fā)展，使形狀復雜和滲層深度要求較大零件的滲氮效果得到了很大提高，且滲氮時間顯著縮短，氣體滲氮的應(yīng)用范圍越來越廣。本文在論述氣體滲氮技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，主要介紹氣體滲氮在汽車零部件上新的應(yīng)用情況。

2 氣體滲氮技術(shù)

2.1 氮勢可控技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)氣體滲氮由于氮勢的控制精確度較低，因此工件滲氮的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，大大限制了滲氮技術(shù)在形狀復雜、滲氮質(zhì)量要求較高的零件上的應(yīng)用。20世紀80年代以后，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，滲氮處理的精密控制程度顯著提高，尤其是氮勢自動化控制技術(shù)的應(yīng)用，使?jié)B氮質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性大幅提升。

氮勢精確控制的目的是實現(xiàn)可控氣氛滲氮，進而控制零件白亮層的厚度。首先求出形成白亮層所需的氮勢理論值，然后滲氮爐根據(jù)設(shè)定的工藝曲線自動控制爐內(nèi)氣氛的氮勢，從而控制白亮層的深度。氮勢的精確控制可以避免由于氮勢過高而導致工件表面形成嚴重脈狀或網(wǎng)狀氮化物，以及由于氮勢過低而導致工件表面硬度偏低的風險。

趙振東等[1]采用德國制造的可控氮勢滲氮爐替代傳統(tǒng)滲氮爐，生產(chǎn)的工件滲氮質(zhì)量穩(wěn)定性好，滲氮質(zhì)量高于傳統(tǒng)滲氮爐，成本明顯降低。郁俐等[2]采用氮勢分段可控滲氮工藝對31CrMoV9鋼在500～520℃進行滲氮試驗，獲得了不同的滲氮層深度和表面硬度，且表面脆性均控制為1級。 陳立奇等[3]采用兩段式可控氮勢滲氮工藝對42CrMo鋼小內(nèi)齒圈進行滲氮處理，齒輪表面的硬度≥550HV，滲氮層深度0.2～0.4mm，白亮層精確控制在8～12μm，脆性2級以下，齒輪的滲氮質(zhì)量穩(wěn)定可靠。胡明娟等[4]根據(jù)γ′生成的氮勢門檻值原理及最優(yōu)擴散條件設(shè)計了可控氣氛滲氮工藝，在W6Mo5Cr4V2鋼上獲得了無白亮層的滲氮層。隨著計算機和智能監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，智能控制氮勢技術(shù)將會獲得大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 深層及快速滲氮技術(shù)發(fā)展

由于氮原子半徑比碳原子半徑大，且滲氮溫度比滲碳溫度低，滲氮過程中氮原子的擴散速度較慢，因此滲氮處理時要實現(xiàn)較大滲氮層深度，往往需要較長的滲氮時間，導致生產(chǎn)效率低，熱處理成本高，且長時間滲氮還會導致工件變形較大和表面質(zhì)量不合格，這些問題大大限制了滲氮工藝在滲氮層深度要求較大、質(zhì)量要求較高的零件上的應(yīng)用。

隨著國家對節(jié)能減排的要求越來越高，“碳達峰”“碳中和”成為了熱處理行業(yè)未來發(fā)展的必然選擇。在齒輪表面強化方面，滲氮處理因其節(jié)能減排的優(yōu)勢成為了國內(nèi)外熱處理行業(yè)重點發(fā)展的技術(shù)。例如，英國、美國、德國的軍事及工業(yè)齒輪上已大范圍地采用滲氮工藝，并對滲氮工藝的發(fā)展做了長期規(guī)劃，如美國“2020年熱處理路線圖”中列入了快速滲氮工藝的開發(fā)；日本“金屬熱處理未來發(fā)展路線圖”中列入了等離子滲氮發(fā)展規(guī)劃[5]。

國內(nèi)學者也圍繞深層及快速滲氮工藝展開了大量研究。其中研究較多的是周期循環(huán)滲氮、稀土催滲、預氧化、增壓噴丸后滲氮、新鋼種開發(fā)等催滲工藝。關(guān)于催滲的機理雖有不同解釋，但是基本原理均建立在提高氣氛活性和改善零件表面狀態(tài)兩個方面。催滲技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高零件的表面質(zhì)量，且相比傳統(tǒng)氣體滲氮技術(shù)，可以有效縮短滲氮時間1/3～1/2，滲氮層深度可達1mm以上。例如，鄭宏達[6]采用XD 超級滲氮催滲劑對42CrMo、40CrNiMo、25Cr2MoV、35CrMo、40Cr、38CrMoAl等常用鋼材進行滲氮試驗，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)氣體滲氮，催滲工藝可以有效縮短滲氮時間50%，還能在100h以內(nèi)使?jié)B氮層深度達到0.8～1mm甚至更深，這是傳統(tǒng)氣體滲氮難以達成的。周上祺等[7]采用周期循環(huán)滲氮工藝對45鋼進行滲氮處理，滲氮速度提高了1倍，滲氮層深度超過4mm。陳磊等采用增壓噴丸后滲氮工藝對35鋼進行滲氮處理，相比沒有噴丸的試樣，噴丸處理可以提高滲氮速度3倍以上，且噴丸+滲氮處理的試樣表面的白亮層脆性級別更好。隨著催滲技術(shù)的快速發(fā)展，滲氮處理周期和生產(chǎn)成本將會大幅降低，滲氮技術(shù)的應(yīng)用范圍也將越來越廣，尤其是可以替代滲碳在要求高強度和高精度的零件上得到廣泛應(yīng)用。

3 滲氮在汽車零部件上的典型應(yīng)用

3.1 滲氮在差速器殼體減磨墊片上的應(yīng)用

差速器分為輪間差速器和軸間差速器，分別實現(xiàn)左右車輪、兩根橋之間不同速度旋轉(zhuǎn)。差速器墊片（材料08Al，碳氮共滲硬度450HV）裝配在齒輪（材料20CrMnTi，淬火硬度58HRC）和殼體（材料QT500-5，硬度200HBS）中間，在使用中受到?jīng)_擊載荷并隨行星齒輪旋轉(zhuǎn)，起到減小殼體和齒輪間相對轉(zhuǎn)速從而降低摩擦副磨損的作用，其失效形式有點蝕、磨粒磨損、黏著磨損和斷裂。圖1a所示為墊片磨損失效件，圖1b所示為殼體磨損失效件。

圖1 磨損差速器墊片和殼體

差速器殼體磨損的原因：墊片采用碳氮共滲工藝，工藝控制難，滲氮層深度較大甚至全部滲透，導致脆性較大，造成墊片失效，進而導致殼體磨損。

為解決墊片脆性較大的問題，改用可自動控制氮勢的滲氮爐進行氣體滲氮處理，技術(shù)要求見表1。

表1 差速器墊片滲氮技術(shù)要求

氣體滲氮工藝為：520℃保溫6～8h，氨氣分解率控制在20%～25%，然后冷卻至150℃后出爐空冷。采用該工藝制備出的墊片滲氮質(zhì)量滿足技術(shù)要求。圖2所示為新墊片和殼體臺架試驗后的照片，結(jié)果顯示差速器和墊片無磨損，投入市場后，大幅降低了失效情況的發(fā)生。

圖2 無磨損的差速器殼體和墊片

基于以上差速器殼體滲氮墊片的成功應(yīng)用，將滲氮墊片推廣至重載變速器行星齒輪墊片，采用滲氮墊片替代以前的雙金屬墊片，應(yīng)用效果較好。圖3所示為變速器行星齒輪系滲氮墊片和之前雙金屬墊片實物。

圖3 行星齒輪系墊片改進

3.2 滲氮在齒輪上的應(yīng)用

目前，滲氮技術(shù)多應(yīng)用于輕載和中載齒輪，重載齒輪多采用滲碳處理，主要原因為滲氮齒輪的滲氮層深度較淺，彎曲疲勞強度低于滲碳齒輪。英國有關(guān)部門曾在高速重載軍艦齒輪的滲氮處理方面做過很多研究，其試驗結(jié)果表明，當采取深層滲氮、有效硬化層深度超過0.5mm時，滲氮齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞性能與滲碳淬火齒輪相當，而抗點蝕、抗咬合性優(yōu)于滲碳齒輪[8]。國內(nèi)盧金生等[9]曾報道采用深層離子滲氮對高速重載齒輪進行滲氮處理，滲氮層深度可達到1.2mm，并實現(xiàn)表面相組織的精密控制，如γ′單相等，齒輪的深層滲氮工藝可以在一定范圍替代滲碳淬火工藝，從而省去磨齒工序，節(jié)約制造成本與工期，并在大量高參數(shù)齒輪上得到了成功的實踐應(yīng)用。馬良等[10]曾在風電增速箱內(nèi)齒圈上做過深層滲氮工藝試驗，其材料為31CrMoV9鋼，采用可控氣氛滲氮爐對內(nèi)齒圈進行多段式氣體滲氮工藝試驗，結(jié)果表明，內(nèi)齒圈滲氮層深度可以達到0.6mm以上，且可以實現(xiàn)表面無白亮層，但是滲氮時間高于100h甚至200h。

基于以上學者的研究，筆者以重載變速器內(nèi)齒圈為研究對象進行深層滲氮工藝試驗。內(nèi)齒圈材料采用42CrMo鋼，預處理為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度為25～30HRC。隨后對內(nèi)齒圈進行深層滲氮，滲氮工藝采用稀土催滲、氣體滲氮。滲氮溫度為520℃，時間為40～60h，催滲劑為鑭系稀土醇鹽和乙醇的混合物。滲氮結(jié)果顯示，稀土催滲、氣體滲氮內(nèi)齒圈的滲氮層深度可以達到0.7mm以上，表面硬度820HV，白亮層厚度10～20μm，脆性級別1～2級，疏松級別1～2級，脈狀等級1～2級。圖4所示為催滲滲氮內(nèi)齒圈的成品和相關(guān)檢測示意。

圖4 催滲滲氮內(nèi)齒圈

滲氮內(nèi)齒圈通過轉(zhuǎn)矩2200N·m的變速器臺架試驗，臺架無異常，結(jié)果表明，滲氮內(nèi)齒圈可以替代滲碳內(nèi)齒圈在一定轉(zhuǎn)矩的重載變速器上應(yīng)用。

基于以上研究，筆者還對重型柴油發(fā)動機齒輪進行了稀土催滲滲氮工藝研究，試驗對象為空壓機惰齒輪，材料為35CrMo鋼，預處理為調(diào)質(zhì)處理，硬度為25～28HRC，滲氮溫度530℃，滲氮時間15h。滲氮結(jié)果顯示，稀土催滲、氣體滲氮惰齒輪的滲氮層深度可以達到0.5mm，表面硬度750HV，白亮層厚度10～15μm，脆性級別1～2級，疏松級別1～2級，脈狀等級1～2級，齒輪彎曲疲勞試驗結(jié)果顯示，滲氮齒輪的彎曲疲勞強度與滲碳齒輪相當。滲氮齒輪相比滲碳齒輪可以省去磨齒工序，降低制造成本，此外滲氮齒輪的耐蝕性更好。圖5所示為滲氮空壓機惰齒輪及其滲氮層金相圖片。

圖5 滲氮空壓機惰齒輪及其滲氮層金相

4 結(jié)論與展望

本文綜述了氮勢自動控制技術(shù)和快速及深層滲氮技術(shù)的特點和最新進展，并結(jié)合在商用車零部件上的典型應(yīng)用案例，分析了滲氮技術(shù)的優(yōu)勢和取得的效果。隨著計算機技術(shù)和快速滲氮技術(shù)的發(fā)展，未來滲氮設(shè)備的精確控制度和滲氮速度將會大幅提高，滲氮的效率和成本將會顯著改善。結(jié)合零件的應(yīng)用場景，可以實現(xiàn)不同的滲氮技術(shù)要求，且滲氮質(zhì)量穩(wěn)定可靠。尤其快速深層滲氮技術(shù)的發(fā)展，將會加速滲氮替代滲碳在零件表面強化方面的應(yīng)用。