40CrNiMoA鋼氣體滲氮層硬度優(yōu)化

呂藍(lán)冰，顧曉明

常州天山重工機(jī)械有限公司 江蘇常州 213125

1 序言

在重載齒輪制造領(lǐng)域，滲氮處理因具有微畸變、無熱處理裂紋、較高表面硬度特征，故使其在重載齒輪領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。重載滲氮齒輪常用材質(zhì)有標(biāo)準(zhǔn)31CrMoV9滲氮鋼，以及42CrMoA、34CrNiMo6、40CrNiMoA等中碳高合金鋼。由于滲氮表面硬度主要與合金化學(xué)成分有關(guān)，V、Cr，Mn、Mo元素與氮原子結(jié)合能力強(qiáng)，有利于提高滲氮表面硬度[1]，所以相同調(diào)質(zhì)基礎(chǔ)性能及相同滲氮工藝條件下，氣體滲氮后表面硬度排序為：31CrMoV9鋼＞34CrNiMo6鋼＞42CrMoA鋼＞40CrNiMoA鋼。

40CrNiMoA鋼氣體滲氮齒輪軸如圖1所示。當(dāng)40CrNiMoA鋼齒輪軸采用氣體滲氮熱處理時，其制造工序如下：鍛造→鍛后熱處理→粗車→半精車→調(diào)質(zhì)→滾齒→精車→高溫時效去應(yīng)力→磨外圓→磨齒→滲氮→成品。氣體滲氮要求如下：表面硬度≥600HV1，滲氮要求硬化層深度（498HV1）≥0.5mm，此條款不僅要求滲氮表面具有高硬度特征，而且要求實現(xiàn)寬的高硬度區(qū)間。滲氮物、疏松、脆性按GB/T 11354—2005 《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》評判，1～3級合格，白亮層≤0.025mm。分析滲氮技術(shù)要求，條款中技術(shù)難度最大的為滲氮層要求最少0.5mm深處達(dá)到硬度498HV1。

圖1 40CrNiMoA氣體滲氮齒輪軸

查閱相關(guān)專業(yè)資料，滲氮表面硬度相關(guān)的影響因素眾多，其中基體硬度對滲氮后表面硬度影響顯著，滲氮后的表面硬度與調(diào)質(zhì)后的基體硬度呈正相關(guān)的關(guān)系[2]，主要影響因素改善和控制要點見表1。

表1 滲氮表面硬度改善和控制要點

2 滲氮試驗

40CrNiMoA鋼、34CrNiMo6鋼、42CrMoA鋼和31CrMoV9鋼齒輪軸化學(xué)成分見表2。由表2可知，40CrNiMoA鋼wNi高達(dá)1.45%，因此其淬透性能較好，淬透性優(yōu)于42CrMoA鋼，差于34CrNiMo6鋼，調(diào)質(zhì)基體硬度300HBW，滲氮前原始組織按GB/T 11354—2005評定為2級。采用510℃滲氮，強(qiáng)滲氮勢（KN）為4.65%，擴(kuò)散氮勢為2.18%，換氣率為0.8次/h，工藝滲氮總時間120h，強(qiáng)滲氮勢下處理50h，擴(kuò)散氮勢下處理70h。結(jié)果顯示，40CrNiMoA鋼突出表現(xiàn)出表面硬度相對較低且高硬度區(qū)間較窄的現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)其相比另外3種材質(zhì)難以形成滲氮物，其中34CrNiMo6鋼和31CrMoV9鋼氣體滲氮后表面硬度高，很容易實現(xiàn)最少0.5m m深處達(dá)到硬度498HV1的技術(shù)要求，40CrNiMoA鋼氮化物1級，34CrNiMo6鋼氮化物3級，42CrMoA鋼氮化物2級，31CrMoV9鋼氮化物2級，4種材質(zhì)滲氮金相組織和硬度對比數(shù)據(jù)見表3，氣體滲氮金相組織如圖2～圖5所示。

表2 4種材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 同爐滲氮對比數(shù)據(jù)

圖2 40CrNiMoA鋼金相組織（500×）

圖3 34CrNiMo6鋼金相組織（500×）

圖4 42CrMoA鋼金相組織（500×）

圖5 31CrMoV9鋼金相組織（500×）

考慮原材料優(yōu)選會大幅增加原材料成本壓力，因此原材料成分維持不變，試驗主要在調(diào)質(zhì)及滲氮工藝方面優(yōu)化，一是驗證不同基體硬度對滲氮性能的影響；二是提高淬火烈度，將滲氮前基體組織調(diào)質(zhì)為1級；三是降低滲氮溫度且驗證不同滲氮時間的影響；四是提高擴(kuò)散氮勢值且提高換氣系數(shù)至1次/h，試驗改進(jìn)前后工藝參數(shù)及結(jié)果見表4。

表4 40CrNiMoA鋼高硬度區(qū)間試驗改進(jìn)前后工藝參數(shù)及結(jié)果

3 高硬度區(qū)間試驗分析討論

3.1 滲氮表面硬度與調(diào)質(zhì)基體硬度的關(guān)系

試驗40CrNiMoA鋼不同調(diào)質(zhì)基體硬度對滲氮表面硬度的影響，相同熔煉號材料，化學(xué)成分相同，同爐氣體滲氮，滲氮設(shè)備為罩式氣體滲氮爐，滲氮溫度495℃，擴(kuò)散氮勢KN＝3.65%，換氣率1次/h，改進(jìn)后樣品滲氮后硬度梯度如圖6所示。從圖6可看出，在相同調(diào)質(zhì)組織及滲氮工藝條件下，隨著基體硬度的提高，滲氮后表面硬度及高硬度區(qū)間均得到提高。樣品3和樣品4的表面硬度均達(dá)到600HV1以上，而且0.5mm深處達(dá)到硬度498HV1的技術(shù)要求。

圖6 40CrNiMoA鋼不同工藝路線對滲氮硬度的影響

滲氮處理時，滲氮溫度一般低于調(diào)質(zhì)高溫回火溫度40℃左右，滲氮材料調(diào)質(zhì)處理，即淬火加高溫回火工藝，高溫回火溫度升高，增加了合金碳化物形成的機(jī)會，碳化物析出程度加大，即降低了鐵素體中合金元素含量，調(diào)質(zhì)組織基體中固溶在鐵素體中的合金元素的減少，必然會減少合金滲氮物的形成數(shù)量且影響形態(tài)等，從而導(dǎo)致滲氮層硬度下降[2]。隨著回火溫度的提高，基體硬度下降，基體中合金碳化物逐漸聚集長大，相對減小了基體組織中碳化物的彌散度，從而相對減小了氮原子滲入的阻力，滲氮速度相對加快，氮原子滲入的深度也就相對增加[3]。材料調(diào)質(zhì)硬度的提高，雖然使?jié)B氮深度相對變淺，但卻明顯改善了滲氮硬度梯度，在以400HV1硬度界限值作為判定條件下，其滲氮后的有效硬化層將變深，滲氮層的高硬度有利于提高工件的耐磨性能。

3.2 40CrNiMoA鋼滲氮表面硬度與調(diào)質(zhì)基體組織的關(guān)系

調(diào)質(zhì)效果好，基體組織細(xì)小均勻，合金滲氮物越多，滲氮硬度越高，有利于提高耐磨性和抗疲勞性[4]。當(dāng)調(diào)質(zhì)基體組織中存在貝氏體或條狀、塊狀鐵素體時，滲氮后硬度相對于完全回火索氏體的低，回火索氏體中的顯微態(tài)彌散球狀碳化物有利于氮原子結(jié)合以產(chǎn)生高硬度特征。40CrNiMoA鋼基體組織（回火索氏體，見圖7）滲氮后的表面硬度600HV1，高于40CrNiMoA鋼基體組織（回火索氏體＋貝氏體＋鐵素體，見圖8）滲氮后的表面硬度560HV1。

圖7 回火索氏體組織（500×）

圖8 回火索氏體＋貝氏體＋鐵素體組織（500×）

3.3 滲氮表面硬度與滲氮溫度及時間的關(guān)系

滲氮溫度越高，滲氮時間越長，基體中的合金化合物粗化、球化越嚴(yán)重，滲氮后表面硬度也就越低。對于40CrNiMoA鋼，材質(zhì)成分特性導(dǎo)致滲氮后很難獲得高表面硬度，因此其滲氮溫度需要選擇較低溫度，采用490～500℃可以獲得相對較高的滲氮表面硬度。表面硬度越高，滲氮層越深，其高硬度區(qū)間也就越寬。當(dāng)以400HV1作為硬化層深的界限硬度時，隨著滲氮時間加長，雖然滲氮層不斷增加，但滲氮物的硬度也在不斷下降，過長的滲氮時間反而降低表面高硬度區(qū)間。針對基體硬度及滲氮時間對滲氮硬度曲線影響，采用極值試驗方案，基體硬度310HBW和350HBW，495℃滲氮70h和140h，正交試驗獲得的滲氮硬度曲線如圖9所示。

圖9 40CrNiMoA鋼極值試驗滲氮硬度曲線

3.4 滲氮表面硬度與氮勢及換氣率的關(guān)系

由于40CrNiMoA鋼強(qiáng)滲氮物形成元素Cr較少，所以其需要相對高的氮勢門檻KN值。40CrNiMoA鋼與42CrMoA鋼、34CrNiMo6鋼同爐滲氮，510℃滲氮擴(kuò)散采用KN＝2.18%時，采用GB/T 11354—2005進(jìn)行評級，表2試驗對應(yīng)的40CrNiMoA鋼與42CrMoA鋼、34CrNiMo6鋼、31CrMoV9鋼的滲氮物級別分別為1級、2級、3級、2級，表面硬度也表現(xiàn)為隨著滲氮物級別增加而提高，滲氮物形成數(shù)量與強(qiáng)滲氮物元素Cr、Mn、Mo有關(guān)，滲氮表面硬度來源于滲氮物的存在。當(dāng)提高氮勢KN值時，40CrNiMoA鋼滲層滲氮物數(shù)量適當(dāng)增加，其表面硬度將呈現(xiàn)提高態(tài)勢。換氣率提高，氣氛中單位體積的氮原子數(shù)量增加，有利于單位面積滲氮面的氮原子吸收，同時有利于滲氮高表面硬度及寬高硬度區(qū)間的實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

1）當(dāng)40CrNiMoA鋼基體調(diào)質(zhì)硬度≥340HBW、滲氮溫度495℃、擴(kuò)散氮勢KN＝3.65%、滲氮時間100h時，滲氮后可以實現(xiàn)表面硬度600～635HV1，同時0.52mm深處達(dá)到硬度498HV1的技術(shù)要求。

2）相比42CrMoA鋼、34CrNiMo6鋼、31CrMoV9鋼，40CrNiMoA鋼難以形成滲氮物，因此其獲得同等滲氮物形態(tài)的氮勢門檻值高于前3種材料。

3）滲氮表面硬度及高硬度區(qū)間隨著基體硬度提高而提高，隨著氮勢提高而提高，滲氮時間過長反而會降低表面硬度及高硬度區(qū)間。