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”現象,嚴重限制了滲氮技術的應用范圍。開發時效硬化鋼就是為了擴大滲氮技術的應用范圍。目前,在表面熱處理領域主要采用三種工藝:滲碳、感應淬火和滲氮。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,解決這些問題是發展滲氮技術的主要途徑。
一、滲氮層與滲碳層對比
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。滲碳的優勢是滲層厚,可達3~5mm,能滿足大多數重載零件服役條件的要求。滲碳零件在強韌性上有優勢,但耐磨性、耐蝕性和抗膠合性能則不如滲氮件。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散層,不需要進行高溫淬火,經過低溫擴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勢,是區別滲碳工藝的特征,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,調整滲氮工藝以及改變滲氮鋼基體合金成分,來實現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構和性能,改善和消除滲氮層脆性。
二、深層滲氮鋼的優勢
開發的時效硬化鋼可以提高滲氮基體硬度和強化擴散層,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。三種材料不同工藝處理結果表明,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。
圖1 滲氮鋼與滲碳鋼的硬化曲線
三、深層滲氮鋼的應用
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。為了滲氮技術在重載耐磨和復雜應力條件下的應用,研發了深層離子滲氮硬化技術并開發了時效硬化滲氮鋼。滲氮零件在重載耐磨和重載復雜應力條件下工作時,典型零件如重載齒輪的工作條件,承受接觸應力和彎曲應力,滲氮層次表層承受最大的剪切應力,滲氮層剝落和疲勞破壞往往發生在次表層,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揮滲氮強化潛力的關鍵。
四、時效硬化滲氮鋼的技術參數
深層滲氮硬化技術的核心是滲氮次表層顯著強化和采用時效硬化滲氮鋼,使滲氮基體硬度提高到400~450HV以上。研制成功兩種時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al和20Cr3MnMoV,試驗用鋼化學成分見表1。
表1 試驗鋼的化學成分(質量分數) (%)
時效硬化鋼的特點是采用空冷固溶處理,不需油淬或水淬,以減少淬火應力,減少淬火畸變,增加尺寸穩定性,而滲氮過程中同時進行時效硬化,可得到比調質鋼更強化更穩定的基體組織。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定組織,其強化效果見表2。
表2 時效硬化鋼強化效果
開發的時效硬化鋼目的在于實現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,拓寬滲氮的應用范圍,實現重載齒輪和重載耐磨件滲氮的工業應用。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,實現滲氮硬化和時效硬化同時完成。但是,滲氮硬化的擴散過程和時效硬化的沉淀硬化過程,兩者時效因子不同,相互產生影響。經過試驗,開發了一種變溫離子滲氮工藝,優先實現滲氮的深層擴散硬化,同時兼顧基體時效硬化,實現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。
圖2 三種鋼深層離子滲氮硬化曲線
試驗結果表明,時效硬化鋼采用變溫離子滲氮工藝,實現了深層滲氮時效硬化、深層擴散和基體強化。20CrNi3Mn2Al鋼和20Cr3MnMoV鋼空冷固溶處理后,硬度分別為33~36HRC和40~44HRC;經過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,會造成滲氮件滲氮尺寸發生微小變化,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,采用在滲氮前進行滲氮件基體預先部分過時效,實現了精密滲氮件的微變形處理。
預時效可調整固溶處理后硬度,以便更適合于機械加工。600~650℃預時效后,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。
表3 20CrNi3Mn2Al鋼預時效對滲氮硬化的影響
表4 20Cr3MnMoV鋼預時效對滲氮硬化的影響
上述試驗結果和生產應用表明,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大滲氮工藝應用的新途徑。新鋼種工藝和應用研究還有許多工作待完成,新鋼種成本還較高,需要深入開發適合不同應用場合的系列滲氮鋼和新時效硬化鋼。
五、結束語
開發時效硬化滲氮鋼是研發深層滲氮硬化技術的基礎。實現深層滲氮硬化是挖掘滲氮潛力,提高滲氮件承載能力,拓寬滲氮應用范圍,實現重載齒輪和重載耐磨件滲氮工業應用的關鍵。深入開發廉價和高性能的時效硬化鋼,完善其滲氮工業應用,對滲氮行業發展有重要意義。
作者:杜樹芳
單位:中國科學院長春光機所
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