竇勝濤， 孫鴻平， 王新社

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429)

引 言

風(fēng)力發(fā)電和大型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)所用齒輪具有體積大、運(yùn)行噪聲低、服役時(shí)間長、穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)，長期服役于惡劣的環(huán)境中，對齒輪表面的耐磨性和抗沖擊性能有很高的要求；提高齒輪表面耐磨性有滲碳和滲氮兩種方法，傳統(tǒng)的滲碳淬火因會引起零件變形，無法保證上述要求[1-5]。目前的解決方法是采用滲氮鋼來代替滲碳鋼，確保零件既有較高的耐磨性，又保證零件基本不變形。傳統(tǒng)的滲氮鋼38CrMoAl滲氮處理后因其表面較厚的白亮層硬而脆，容易引起剝落，會降低齒輪的使用壽命。42CrMo鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、淬透性好的特點(diǎn)，特別適合制作大模數(shù)齒輪，其滲氮處理后表面硬度雖沒有38CrMoAl高，但其韌性高于38CrMoAl，不容易引起齒輪表面剝落，大大延長了使用壽命。

GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的42CrMo的化學(xué)成分為:w(C)=0.38%～0.45%;w(Si)=0.17%～0.37%;w(Mn)=0.50%～0.80%;w(Cr)=0.90%～1.20%;w(Mo)=0.15%～0.25%，成分范圍比較寬泛。有文獻(xiàn)指出C和Si對滲氮層硬度的影響很?。槐疚牟捎脷怏w滲氮爐對42CrMo鋼試樣進(jìn)行滲氮處理，采用固定變量法研究Mn，Cr，Mo與滲氮層硬度的關(guān)系，最終設(shè)計(jì)42CrMo滲氮鋼的最佳成分。

1 氣體滲氮原理

氣體滲氮過程是鋼鐵化學(xué)熱處理的一種，滲氮?dú)夥找话闶遣糠址纸獾陌睔?。氣體滲氮過程分為滲氮介質(zhì)中的反應(yīng)，氮的吸收，鋼件表面的界面反應(yīng)以及氮元素的擴(kuò)散，其中鋼件表面與氨的反應(yīng)和氮原子的擴(kuò)散是滲氮處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1) 在500 ℃左右的滲氮溫度下，氨的活性很強(qiáng)，很容易被鋼件表面吸附，這種吸附屬于化學(xué)吸附。

2) 氨分子在化學(xué)吸附的作用下，會弱化其N-H鍵的化學(xué)能，這就給N原子和H原子的分離創(chuàng)造了有利條件。當(dāng)N原子成為自由的活性原子[N]后，進(jìn)一步發(fā)生界面反應(yīng)，這些活性[N]一部分溶解在α-Fe中形成固溶體，另一部分形成γ’相或ε相[3]。

3) 鋼件表面和內(nèi)部形成了N的濃度差，形成了熱力學(xué)不平衡，促使N原子的遷移擴(kuò)散，這些N原子很容易與鋼件中的合金元素結(jié)合形成氮化物，例如氮化鋁、氮化鉬、氮化鉻等，這些氮化物往往會形成脈狀，可以大大提高滲氮層的硬度。

2 試驗(yàn)方法

42CrMo鋼的加工流程為BOF(轉(zhuǎn)爐)-LF(精煉)-RH(真空脫氣)-CCM(連鑄)-CR(連軋)，取9組不同化學(xué)成分的42CrMo鋼棒，如表1所示。其中組1、組2、組3之間僅Mn有差別，其它成分基本一致；組4、組5、組6之間僅Cr有差別；組7、組8、組9之間僅Mo有差別。每組鋼棒取5個(gè)Φ25 mm×50 mm的樣品，為了消除調(diào)質(zhì)硬度對滲氮硬度的影響，根據(jù)各自的化學(xué)成分采用不同的調(diào)質(zhì)處理工藝使試樣的基體硬度在350～360 HV，再采用如圖1所示的工藝進(jìn)行氣體滲氮處理。通過以上的處理，可以區(qū)分出成分單因子變量對滲氮性能的影響。

表1 試樣的化學(xué)成分/%

圖1 滲氮工藝

熱處理后的試樣沿橫向切斷，取其中一半鑲嵌成金相試樣(如圖2所示)， 通過全自動(dòng)磨拋機(jī)制作金相試樣，采用4%的硝酸酒精腐蝕后用AXIO IMAGER M2M型金相顯微鏡觀察滲氮層組織，用Q30A+自動(dòng)維氏硬度計(jì)檢測滲氮層的硬度分布。

圖2 制樣示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 滲氮層深度

試樣經(jīng)50 h的滲氮處理后，均達(dá)到了氮化的效果，如圖3中(a)～(i)所示是對應(yīng)組1～ 9在500倍光學(xué)顯微鏡下的金相組織。試樣表面都有白亮層，厚度在10 μm左右，這種白亮層稱之為ζ相，含氮量在11.1%～11.35%，以密排六方點(diǎn)陣化合物Fe2N的間隙固溶體存在，這種組織硬度高達(dá)1000 HV，脆性高，耐腐蝕，耐磨；如果滲氮零件在沖擊強(qiáng)度較高的環(huán)境下工作，容易剝落。一般應(yīng)用于防腐耐磨的條件下盡量增加ζ相的厚度；而在沖擊要求高的環(huán)境下，則盡量減小ζ相的厚度。

白亮層占滲氮層的厚度比例很小，主要是深顏色的脈狀滲氮層。這種滲氮層的形成，不僅僅是N與Fe結(jié)合，更重要的是與合金元素結(jié)合生成合金的氮化物。合金元素與氮原子的結(jié)合能力越強(qiáng)，形成的氮化物的穩(wěn)定性和硬度就越高，合金氮化物的穩(wěn)定性從高到低排序?yàn)椋篢i,Al,V,Nb,W,Mo,Cr,Mn。具體到本文的42CrMo鋼，因各組試樣的Al基本一致，則Mo與N的結(jié)合能力最強(qiáng)，Mn與N的結(jié)合能力最弱。關(guān)于合金元素會強(qiáng)化滲氮的機(jī)理，有文獻(xiàn)指出，合金氮化物會引起晶格畸變，形成位錯(cuò)，達(dá)到強(qiáng)化組織的目的；另外合金氮化物本身的硬度也很高，兩方面的原因致使合金元素提高了滲氮層的硬度。

如表2所示是組1～9的滲氮層顯微硬度測試值，按照每0.05 mm的間距測定。依據(jù)GB/T11354-2005 《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》評定滲氮層的深度，即從試樣表面測至比基體維氏硬度值(350～360 HV)高50 HV處的垂直距離為滲氮層深度；從表2中的各組數(shù)據(jù)看，每組的滲氮層深度均在0.45～0.50 mm之間，表明合金元素含量的不同對滲氮層的深度沒有明顯的影響。

3.2 滲氮層硬度

從圖3看出，組1、組2、組3的金相組織僅有Mn的差別，組3的Mn含量最高，其滲氮層的脈狀組織也相對明顯，硬度也最高。組4、組5、組6的金相組織僅有Cr的差別，組6的Cr含量最高，其滲氮層的脈狀組織也相對明顯，硬度也最高。組7、組8、組9的金相組織僅有Mo的差別，組3的Mo含量最高，其滲氮層的脈狀組織也相對明顯，硬度也最高。

圖3 9組不同化學(xué)成分的42CrMo滲氮層金相組織

表2 滲氮層維氏硬度/HV

為了研究Mn，Cr，Mo對滲氮層硬度的影響程度，把對應(yīng)的距表面0.05 mm的硬度值繪制成如圖4所示，可以看出Mn和Cr對滲氮層的硬度影響較小，而Mo的影響十分明顯。

圖4 滲氮層硬度與Mn,Cr,Mo成分的關(guān)系

4 結(jié)束語

通過對不同Mn、Cr、Mo合金成分的氣體滲氮試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

(1)42CrMo鋼合金成分含量的高低對滲氮層深度基本沒有影響。

(2)42CrMo鋼中合金元素Mo對滲氮層硬度的影響最大，在設(shè)計(jì)滲氮鋼時(shí)要優(yōu)先考慮Mo的作用。