摘要：某種型號(hào)38CrMoAlA錐齒輪在氣體滲氮過(guò)程中，表面疏松和脆性出現(xiàn)了較嚴(yán)重的超差，同時(shí)擴(kuò)散層存在較嚴(yán)重脈沖狀和連續(xù)網(wǎng)狀的氮化物。經(jīng)過(guò)分析影響因素，調(diào)整了工藝，由原來(lái)的二段滲氮法改為三段滲氮法，有效地控制了產(chǎn)品氮化層的表面疏松、氮化物的形態(tài)、脆性等，使產(chǎn)品完全符合使用和質(zhì)量要求。

　　關(guān)鍵字：錐齒輪表面疏松氮化物脆性

　　TheQualityControlofGasNitridingTreatmentforBevelGearof38CrMoAlAMaterial

　　ABSTRACT:Theporosityandbrittlenessofsome38CrMoAlAbevelisoutoftoleranceinthegasnitridingprocess.andmoreseriouspulsedandcontinuousnetwork-likenitridesexistinthediffusionlayer.Throughasystematicanalysisofalltheinfluencingfactors,weusethree-stagenitridingprocessinsteadoftwo-stage.Themethodhaseffectivelycontrolledthesurfacerippingandthebrittlenessofnitridesinthenitridinglayer.

       KEYWORDS:bevelgearsurfacerippingnitritesbrittleness

　　38CrMoAlA（GB/T3077-1999）是一種廣泛應(yīng)用于齒輪滲氮類合金鋼材料，該材料制造的產(chǎn)品在機(jī)械性能和使用抗磨及抗疲勞指標(biāo)較好，目前在齒輪材料上應(yīng)用日趨廣泛。由于其中含有強(qiáng)烈形成氮化元素的Al和Mo，故氣體滲氮后擴(kuò)散層的硬度可以達(dá)到很高（≥1000HV），但是往往導(dǎo)致產(chǎn)品脆性和疏松容易超差。我廠生產(chǎn)的某種型號(hào)的錐齒輪，在檢查樣件（齒形隨爐樣件）時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面脆性和氮化物不合格，通過(guò)綜合原因分析和有效參數(shù)識(shí)別，隨后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)分析和質(zhì)量改善。

　　1、齒輪生產(chǎn)和滲氮工藝

　　1.1生產(chǎn)工藝

　　該型號(hào)的錐齒輪的主要生產(chǎn)工藝為：原材料→鍛件→粗車→預(yù)備熱處理（調(diào)質(zhì)）→精車→粗銑齒→精刨齒→滲氮處理→車→拋光→配對(duì)研磨。由于該錐齒輪結(jié)構(gòu)特殊，既要保證齒部精度，又要滿足熱處理性能指標(biāo)，同時(shí)錐齒輪為配對(duì)使用，在使用要求上對(duì)熱處理變形控制也提出了較高的指標(biāo)，基于此制定了試驗(yàn)工藝方案。

　　1.2滲氮工藝

　　我廠采用負(fù)低壓真空滲氮處理，通過(guò)控制氨氣滴注量來(lái)調(diào)節(jié)氨氣的分解率。其中氨氣采用循環(huán)滴注，產(chǎn)品的裝夾方式為平放，先低溫入爐預(yù)氧化一段時(shí)間，隨后階梯升溫至滲氮溫度，具體工藝見(jiàn)圖1所示。

　　2、理化檢驗(yàn)

　　產(chǎn)品的預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)處理，金相組織為回火索氏體+少量托氏體+少量鐵素體，見(jiàn)圖2，金相組織評(píng)定為2級(jí)，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

　　錐齒輪氮化的技術(shù)要求為：氮化層深0.2-0.4mm，表面硬度≥800HV，氮化層脆性≦2級(jí)，化合物層疏松≦2級(jí)，氮化物≦2級(jí)。

　　對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行理化檢驗(yàn)，其表面硬度為1110-1130HV。用制樣機(jī)將錐齒輪的齒角處制成金相試樣，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡下觀察組織，見(jiàn)圖3。進(jìn)過(guò)檢驗(yàn)，產(chǎn)品氮化層深為0.37mm，化合物層深0.012mm。

　　由圖3可知，在表層可見(jiàn)較密集點(diǎn)狀孔隙，疏松等級(jí)評(píng)定為3級(jí)。擴(kuò)散層存在較為嚴(yán)重脈狀及少量連續(xù)網(wǎng)狀分布的氮化物，氮化物評(píng)定為4級(jí)。采用10kgf的維氏硬度測(cè)試脆性等級(jí)，發(fā)現(xiàn)三個(gè)邊都存在嚴(yán)重的裂紋，故脆性評(píng)定位為4級(jí)，見(jiàn)圖4。因此產(chǎn)品的氮化層疏松、脆性和氮化物形態(tài)等指標(biāo)都不符合技術(shù)要求。此外，齒輪的表面還出現(xiàn)了不均勻的氧化色，且越往上層越嚴(yán)重，由此可見(jiàn)，在氮化過(guò)程中氨氣水分的含量過(guò)高。

　　3、工藝改進(jìn)

　　3.1因素因子

　　氣體氮化過(guò)程中，主要受到滲氮溫度、滲氮時(shí)間、氨氣的分解率等的影響。同時(shí)這些因素之間又是相互約束的，溫度的提高有利于提高氨氣分解率，促進(jìn)氮原子向鐵中轉(zhuǎn)移，時(shí)間的延長(zhǎng)也能提高氨氣的分解率，而氨氣分解率還和氨氣的流量有關(guān)。在同一溫度下，降低氨氣的流量，可以提高氨氣的分解率，同時(shí)有利于促進(jìn)氮原子向內(nèi)部擴(kuò)散，減小了表面氮原子的含量，有利于氮化層脆性和氮化物的改善。而且過(guò)高或者過(guò)低的氨氣分解率都會(huì)使?jié)B層減少，因此合理地調(diào)節(jié)氨氣的分解率對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制是很重要的。

　　3.2三段滲氮法

　　隨后對(duì)產(chǎn)品滲氮工藝進(jìn)行了改進(jìn)，采用三段滲氮法。同時(shí)為了有效地控制氨氣水分含量，采用新干燥劑來(lái)干燥通入氮化爐中的氨氣，并確保氮化爐未出現(xiàn)爐內(nèi)漏氣等設(shè)備的影響。產(chǎn)品的具體工藝見(jiàn)圖5。

　　采取之前同樣的方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了理化檢驗(yàn)，其中表面硬度為950-950HV，滲氮層深為0.27mm，化合物層0.008mm。圖6為該工藝下錐齒輪齒角部位的金相組織。由圖可見(jiàn)，相對(duì)于圖3，化合物層較致密，表層有少量細(xì)點(diǎn)狀空隙，齒輪疏松評(píng)定為2級(jí)。擴(kuò)散層中存在少量呈脈沖狀分布的氮化物，氮化物評(píng)定為2級(jí)。圖7為表面脆性照片，可見(jiàn)，在四方形的一邊出現(xiàn)了很少量的裂紋，故脆性評(píng)定為2級(jí)。由此可見(jiàn)，氮化后的技術(shù)指標(biāo)完全符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。

　　4、分析

　　38CrMoAlA滲氮鋼由于表面具有很高的硬度，較高的耐磨性，因此被廣泛的應(yīng)用于齒輪、曲軸等產(chǎn)品。但是氮化過(guò)程中過(guò)高的硬度會(huì)使表層脆性增大，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生早期剝落，因此需要在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中控制滲氮層的硬度，即通過(guò)控制化合物層疏松和擴(kuò)散層氮化物的形態(tài)，來(lái)控制產(chǎn)品氮化層的脆性。

　　根據(jù)等活度時(shí)效沉淀硬化理論[1]，采用二段滲氮法，可加速滲氮而使產(chǎn)品表面硬度不至于下降很多。主要是因?yàn)樵跐B氮第一階段（540℃）較長(zhǎng)時(shí)間下形成的細(xì)小沉淀物在第二階段時(shí)仍相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)明顯地長(zhǎng)大。因此，采用三段滲氮法，即提高第二階段滲氮溫度至560℃)，再加上一個(gè)短時(shí)較低溫度（520℃）的第三階段，可有效地控制細(xì)小沉淀物（ε、γ′等）的長(zhǎng)大。

　　提高第二階段滲氮溫度，并降低氨氣的流量，因此提高了氨氣的分解率，降低了整體爐內(nèi)的碳勢(shì)，增加了氮原子的活化能，促進(jìn)了氮原子較快地向產(chǎn)品內(nèi)部擴(kuò)散，使產(chǎn)品的硬度梯度平緩。隨后，在第二階段滲氮的基礎(chǔ)上再增加了一個(gè)短時(shí)的三階段滲氮，其中，滲氮溫度降低至520℃，氨氣流量降低為0.6m3/h。這樣就提高了氨氣的分解率，雖然氮化物的形成消耗了固溶體中的氮，但是很快就可以從等活度的氣體中轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散層中，所以可促使氮原子更大程度地向內(nèi)部擴(kuò)散，增加了滲層的深度，降低了氣體氮化的時(shí)間，節(jié)約了成本，滲氮層深度同樣能達(dá)到技術(shù)要求。

　　隨著后期氨氣流量的減少，提高了氨氣的分解率，增加了滲層的深度，滲氮時(shí)間得到了減少，可有效地控制滲層ε相和γ′相長(zhǎng)大粗化，改善表面疏松，降低表面氮含量，減小表面微裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而可降低表面脆性，防止產(chǎn)品在后續(xù)使用過(guò)程中出現(xiàn)表面剝落等現(xiàn)象[2]。同時(shí)，表面粗大、連續(xù)網(wǎng)狀的氮化物也得到了很大程度地改善（見(jiàn)圖5）。但是由于氮化溫度提高了，所以氮化物出現(xiàn)了小部分集聚長(zhǎng)大，減小了氮化物的彌散度，故表面硬度有所降低（940-950HV）。

　　5、結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)該產(chǎn)品氮化工藝的調(diào)整，由二段滲氮法改為三段滲氮法，適當(dāng)調(diào)整溫度和氨氣流量，在保證滲氮層深和表面硬度滿足技術(shù)要求的同時(shí)可有效地控制表面疏松、脆性和氮化物形態(tài)，防止后期使用出現(xiàn)表面脫落等現(xiàn)象，因此，針對(duì)這種型號(hào)的齒輪氣體氮化，改進(jìn)后的工藝是可行和有效的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]JackKH.Nitriding[C].HeatTreatmentCommitteeofTheMetalsSociety.HeatTreatment′73.London,1975.

　　[2]潘健生胡明娟等.熱處理工藝學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009，1.

　　【作者簡(jiǎn)介】

　　余學(xué)華（1968-）男，中船重工重慶清平機(jī)械廠技術(shù)中心從事齒輪熱處理工藝開發(fā)和技術(shù)研究

　　李泉（1985-）男，碩士研究生，中船重工重慶清平機(jī)械廠技術(shù)中心從事齒輪熱處理工藝技術(shù)和材料研究

　　李煒斌（1971-），男，中船重工重慶清平機(jī)械廠技術(shù)中心從事技術(shù)管理和齒輪設(shè)計(jì)工藝技術(shù)研究

　　E-mail：[email protected]