31CrMoV9齒圈超深層深氣體氮化工藝

馬良，許愛非，丁盛，顧曉明，黃星

氮化是風電增速箱核心部件內齒圈及其他高速重載需耐磨部件的常用最終熱處理工藝之一，其氮化后具有極高的表面硬度和耐磨性、高疲勞強度和高耐蝕性，同時還具有抗咬合、抗擦傷的能力，工件畸變也相對較小。目前國外廣泛使用歐洲牌號鋼31CrMoV9作為內齒圈材料，此種材料淬透性好，表面氮化后硬度高，抗耐磨性較為優異，國內風電增速箱內齒圈也越來越多地使用此種材料。

由于31CrMoV9合金元素含量較高（化學成分見表1），特別是釩與氮的親和力較強，另外用于風電增速箱的內齒圈，一般滲氮層深度都在0.6mm以上（本文研究的內齒圈氮化技術要求見表2），層深已突破了傳統的滲氮層深度，滲氮加熱保溫時間長，在氮化時易形成網狀氮化物，可能由此引發滲層脆性增加、耐磨性和疲勞強度下降等一系列質量缺陷，對于風電增速箱而言，這些質量缺陷會產生致命后果。

目前，國內外公開報道的對31CrMoV9超深層深氣體氮化工藝的研究較少，本文通過試驗對31CrMoV9齒圈超深層深氣體氮化工藝進行了研究，制訂出了適合31CrMoV9超深層深氣體氮化的工藝。

1.工藝試驗方案

表3為氣體氮化工藝。試驗設備為Aichelin可控氣氛氮化爐，使用三組試樣進行氮化熱處理，試樣尺寸為10mm×10mm×10mm方形試樣，并嚴格控制試樣表面粗糙度，試樣為同熔爐號材料，且為工件本體加高樣調質后取下，加高樣回火工藝為870℃保溫4h淬火，620℃回火4h，試樣硬度均為310～320HBW，組織都為均勻的回火索氏體。氣體氮化工藝采用了三種工藝方案，兩種方案為三段法，有強滲、擴散及退氮三段組成，另一種工藝方案為兩段法，只有強滲及擴散兩段組成。

表1 31CrMoV9的化學成分（質量分數） （%）

表2 31CrMoV9風電增速箱內齒圈氮化工藝要求

表3 31CrMoV9氮化工藝試驗方案

2.試驗結果

每種工藝方案均進行三次試驗，試樣后按《GB/T 11354—2005 鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，檢驗項目為氮化層深、氮化物、白亮層深度、疏松及脆性。三種工藝方案試驗結果見表4。氮化物、疏松及圖譜對比如圖1、圖2所示。

3.分析與討論

氣體滲氮的介質是氨氣（NH3），氣體滲氮的結果主要由氨在爐內的行為來確定，而氨在爐內的行為主要由滲氮溫度、滲氮時間及氨的分解率（爐氣氮勢）所影響。因此，31CrMoV9氮化工藝試驗方案主要對滲氮溫度、滲氮時間及爐氣氮勢進行調整，以期開發兼具高質量和高效率的氮化工藝。

工藝方案1氮化有效時間為104h，為三段滲氮法，第一段在515℃滲氮，使表面形成彌散度較大的氮化物及高的氨濃度，第二段升至525℃，并降低氮勢，使氮原子快速向內擴散，第三階段溫度仍為525℃，進一步降低氮勢，進行退氮。從試驗結果看，其層深較深，形成了近似脈狀的較粗氮化物，且白亮層較厚，脆性等級也為2級，試樣壓痕多邊均出現細小裂紋。

工藝方案2氮化有效時間為200h，也為三段滲氮法，氮化溫度有所降低，第一段時間縮短，增加第三段時間，氮化物細條狀，幾乎沒有白亮層及疏松現象，脆性等級為1級，試樣壓痕沒有任何裂紋及塌邊。

試樣工藝方案3為兩段滲氮法，先在505℃滲氮，氮勢介于工藝方案1與工藝方案2之間，第二段升至510℃，氮勢也介于工藝方案1與工藝方案2之間。

31CrMoV9合金元素含量較高，特別是釩與氮的親和力較強，較易形成氮化物，三種工藝方案均存在脈狀氮化物，工藝方案1由于強滲與擴散比較大，擴散時間過短，擴散層中有較多的呈脈狀的氮化物；工藝方案2及工藝方案3中由于氮勢較低，強擴比較小，擴散層中只存在少量的脈狀氮化物。

表4 31CrMoV9氮化工藝試驗方案試驗結果

圖1 各工藝方案金相組織（500×）

圖2 各工藝方案脆性對比（100×）

三種工藝方案中以工藝方案1的試樣表面硬度最高，工藝方案2及工藝方案3的表面硬度相仿，但工藝方案1氮化溫度最高，為515～525℃，其原因主要是由于工藝方案1氮勢最高，其表面生成的氮化物最多，而31CrMoV9氮化的表面高硬度不僅和滲氮溫度相關，還和合金氮化物的數量和狀態相關。

31CrMoV9氮化時產生的表面白亮層超標是其氣體氮化的主要問題之一，一般認為白亮層為ε+γ，必須要控制表面的氮化物的含量。工藝方案2得到的白亮層最少，其主要原因是氮化時間足夠長，氮勢足夠低，使試樣內外氮濃度達到均勻一致。工藝方案3由于采用相對較低的氮勢和長時間擴散，表面形成的白亮層也較淺。工藝方案1則由于氮勢高，強滲時間長，且溫度高，試樣內外氮濃度不均衡，更易生成較厚的白亮層及較差的疏松等級。此外，當白亮層出現明顯疏松時，其脆性也會增加，工藝方案2、3的脆性明顯優于工藝1。

4.結語

（1）31CrMoV9超深層深氮化通過對強滲與擴散氮勢及時間的調整，可以得到較好的氮化效果。

（2）31CrMoV9超深層深氮化在一定溫度范圍內，其表面硬度與氮化氮勢有關，但都可獲得較高的表面硬度（800HV左右）。

（3）工藝方案2可以獲得很好的質量，且無白亮層，但耗時長，經濟性差。工藝方案3既可獲得較好的質量，耗時相比工藝2較短，兼顧了質量和效率。目前我公司按工藝方案3已生產31CrMoV9齒圈數百套，質量可靠，工藝穩定。