孫靜茹，蘇程，曾省建

中車資陽機(jī)車有限公司資陽曲軸分公司 四川資陽 641301

1 序言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)對外輸出動(dòng)力的核心部件，在運(yùn)動(dòng)過程中承受著復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力，因而對曲軸材料、尺寸精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化等要求十分嚴(yán)格。我公司在熱處理生產(chǎn)時(shí)，有一支經(jīng)過滲氮處理的34CrNi3MoA鋼曲軸因軸頸輾瓦嚴(yán)重而需要修復(fù)[1]，其彎曲變形較嚴(yán)重，故修磨軸頸時(shí)的磨削量也有限制，會(huì)產(chǎn)生偏磨，軸頸上可能存在局部原有滲氮層未完全去除的現(xiàn)象。

本文主要通過工藝試驗(yàn)，研究曲軸在局部殘留滲氮層的情況下，經(jīng)過重新滲氮后其表面硬度均勻性、滲氮層深度、滲氮組織及硬度是否能滿足客戶要求，并確定出適合曲軸的二次滲氮工藝參數(shù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

采用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的34CrNi3MoA鋼曲軸試棒來制作滲氮試驗(yàn)用試樣，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 34CrNi3MoA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 34CrNi3MoA鋼調(diào)質(zhì)處理力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法及工藝

根據(jù)本工藝研究的目的，需模擬表面殘留不同滲氮層深度的試樣在經(jīng)過二次滲氮后滲氮層深度及組織的變化。因待修復(fù)曲軸要求修復(fù)完成后曲軸成品滲氮層深度為0.45mm，再加上磨削量0.15mm左右，故進(jìn)行模擬試驗(yàn)的試樣滲氮層深度要求至少為0.60mm。根據(jù)試驗(yàn)方案要求，需制備6組試樣來模擬一次滲碳，以及在表面滲氮層深度分別加工掉0mm、0.15mm、0.30mm、0.45mm、0.60mm后進(jìn)行二次滲氮，然后檢測滲氮層深度、表面硬度。每組試樣的具體要求及滲氮工藝見表3。

表3 滲氮試樣要求及滲氮工藝

曲軸滲氮采用立式吊掛在滲氮爐中進(jìn)行滲氮處理，為更準(zhǔn)確模擬曲軸滲氮過程，每組試樣分別準(zhǔn)備上、中、下三個(gè)試樣一起隨曲軸進(jìn)爐進(jìn)行滲氮處理，故工藝準(zhǔn)備18個(gè)尺寸為φ20mm×10mm試樣進(jìn)行滲氮。

為盡量使試驗(yàn)的結(jié)果與曲軸修復(fù)的效果保持一致，在進(jìn)行滲氮試驗(yàn)時(shí)，盡可能采用與修復(fù)曲軸相近的滲氮工藝參數(shù)。具體工藝參數(shù)：滲氮溫度為（530±10）℃；滲氮時(shí)間為60～80h。

2.3 試樣的制備

根據(jù)試驗(yàn)方案要求，加工了18個(gè)滲氮試樣進(jìn)行滲氮試驗(yàn)研究，其具體尺寸及要求如圖1所示。

圖1 試樣尺寸及要求

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在所有試樣制備完成后，按工藝要求分別進(jìn)行了一次滲氮和加工后二次滲氮，兩次滲氮完成后對滲氮層深度、表面硬度、滲氮組織及氮化物進(jìn)行了檢測。采用維氏硬度計(jì)，使用0.3kgf（2.94N）的試驗(yàn)力對試樣進(jìn)行了表面硬度及內(nèi)部階梯硬度檢測[2]。因不同試樣調(diào)質(zhì)硬度也不同，造成基體硬度有一定的差異，故采用平均值法算出18個(gè)試樣的基體平均硬度為335HV，根據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》中用硬度法測定滲氮層深度的規(guī)定，從試樣表面測至比基體維氏硬度高50HV處的垂直距離即為滲氮層深度，以基體平均硬度385HV為基準(zhǔn)，通過硬度梯度檢測計(jì)算出了試樣的滲氮層深度，具體數(shù)據(jù)見表4。

3.2 滲氮層深度

從表4可明顯看出，進(jìn)行過二次滲氮的4～15號試樣的滲氮層深度均高于只進(jìn)行過一次滲氮的1～3號試樣。其中4～6號試樣經(jīng)一次滲氮后，滲氮面加工量為0.15mm，是所有需二次滲氮試樣中加工量最小的一組，其3個(gè)試樣的平均滲氮層深度為1.10mm，其深度高于只進(jìn)行過一次滲氮的試樣平均值0.2mm左右。未對滲氮層進(jìn)行加工的16～18號試樣，在二次滲氮后其平均滲氮層深度為1.23mm左右，是所有試樣中滲氮層深度最深的一組。

表4 試樣滲氮后滲氮層深度及表面硬度

滲氮過程中影響滲氮層深度的因素主要有滲氮溫度、滲氮時(shí)間、氮?jiǎng)莸萚3]。滲氮溫度越高、滲氮保溫時(shí)間越長，則滲氮層深度越深。對于需進(jìn)行修復(fù)的產(chǎn)品，其表面殘留的滲氮層在進(jìn)行二次滲氮后，其滲氮深度可能會(huì)高于其他無殘留滲氮層的部位，但均滿足工藝要求0.6mm的滲氮層深度。

3.3 滲氮層組織

對上述試樣進(jìn)行了滲氮組織檢測，其組織均為回火索氏體，存在少量的脈狀氮化物，其部分試樣金相組織如圖2所示。

圖2 滲氮層金相組織

所有試樣的金相組織除了個(gè)別試樣存在少量脈狀氮化物外，均無異常，未出現(xiàn)白亮層。氮化物主要是由于基體材料在調(diào)質(zhì)淬火時(shí)加熱溫度過高，晶粒長大、粗化和工件表面氧化脫碳及滲氮溫度過高、液NH3含水過高等因素影響下形成的。本試驗(yàn)使用的34CrNi3MoA鋼試樣，取自于進(jìn)行過調(diào)質(zhì)處理的曲軸試棒的R/2處，其組織為回火索氏體，晶粒度在7級以上，且無氧化脫碳現(xiàn)象存在，故不會(huì)造成滲氮過程中氮化物的形成，試驗(yàn)試樣所產(chǎn)生的少量脈狀氮化物可能與滲氮設(shè)備及滲氮過程的控制有關(guān)。

3.4 滲氮試樣表面硬度

從表4可看出，滲氮試樣表面硬度差異性較大，在上中下三個(gè)試樣中，靠近爐底的試樣表面硬度均高于上層和中層試樣的硬度，但均滿足成品硬度460HV的要求。

滲氮層淺層表面的硬度主要受基體調(diào)質(zhì)硬度和檢測過程中拋光情況影響較大，故所檢測出表面硬度存在較大的差異性。一次滲氮后存在的滲氮層對試樣后續(xù)進(jìn)行二次滲氮后表面硬度無影響[4]。

4 結(jié)束語

1）一次滲氮未磨削掉的殘留滲氮層對二次滲氮無不良影響，且二次滲氮時(shí)會(huì)加深滲氮層深度，滲氮層深度均能滿足曲軸本體0.6mm的深度要求。

2）經(jīng)二次滲氮后，所有試樣的表面硬度滿足曲軸成品表面460HV的硬度要求。

3）待修復(fù)曲軸在有殘留滲氮層的情況下，可按510℃×80h的滲氮工藝進(jìn)行大修。