滲碳方法對滾珠絲杠軸組織與性能的影響

陳 榮 李炎錚 黃 新 閔永安

(1.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122； 2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444;3.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

汽車的軸類零件通常采用中碳鋼制造并進行調質處理[1]，兼具較高的強度和韌性。感應淬火可進一步提高調質件的表面硬度，改善其使用性能。低碳低合金鋼零件滲碳淬火后表面硬度高、心部韌性好[2]，盡管其材料和工藝成本高于傳統的調質處理鋼，但從節能減排的角度看，具有輕量化優勢的滲碳汽車零件更有競爭力[3- 4]。零部件的高負荷、小型化是汽車輕量化的有效途徑[5]。

目前，國內外批量生產的汽車零件廣泛采用密封箱式爐控制氣氛滲碳[6]。近年來，隨著環保要求的提高和真空滲碳設備的快速發展[7]，對汽車零件進行真空滲碳的研究和應用日益廣泛[8]。

滾珠絲杠軸是新能源車電動助力剎車系統的重要傳動件，要求具有很高的表面硬度和良好的心部韌性[9]。本文試驗研究了經氣體滲碳、真空滲碳的滾珠絲杠軸的組織和力學性能，目的是探究適用于滾珠絲杠軸的滲碳方法。

1 試驗材料與方法

采用直徑30 mm的16MnCr5鋼棒材試制某型滾珠絲杠軸，其化學成分如表1所示。

表1 16MnCr5鋼滾珠絲杠軸的化學成分(質量分數)

經過切削加工的滾珠絲杠軸分別在密封箱式爐和真空爐中進行930 ℃滲碳，氣體滲碳介質為氮- 甲醇氣氛，滲碳后油淬；真空滲碳介質為乙炔，滲碳后高壓氣淬。滾珠絲杠軸滲碳、淬火后均在180 ℃回火2 h。

在滲碳的滾珠絲杠軸中部線切割包含一個滾道的半圓環試塊，如圖1所示，并制備金相試樣(用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕)。采用Nikon- LV150光學顯微鏡觀察滾珠絲杠軸外圓面、滾道、凸緣和基體的顯微組織。在拋光態觀察不同方法滲碳的滾珠絲杠軸外圓面滲層的內氧化情況。

采用MH3型顯微硬度計連續測定滾珠絲杠軸外圓(圖1中A- A′)和滾道(圖1中B- B′)截面的硬度分布，試驗力1 kg，并確定有效硬化層深度。另外，在滾珠絲杠軸表面以下0.15 mm處測5個點的硬度，在滾珠絲杠軸表面以下3 mm處測5個點的硬度，即滲層和基體的硬度。

圖1 滾珠絲杠軸取樣示意圖

2 結果與分析

經氣體滲碳和真空滲碳的滾珠絲杠軸的滲層組織主要為細針狀馬氏體和少量殘留奧氏體。圖2為兩種方法滲碳的滾珠絲杠軸外圓面、滾道、凸緣等部位表面以下約0.15 mm處的馬氏體組織，真空滲碳絲杠軸的組織中顆粒狀碳化物更多。按滲碳層組織圖譜[10]評級，氣體滲碳滾珠絲杠軸不同部位的馬氏體為3～4級，真空滲碳滾珠絲杠軸的馬氏體約為3級，且較均勻；兩種滲層組織中的殘留奧氏體含量約1級(體積分數不超過10%)。

圖2 經氣體滲碳(a,b,c)和真空滲碳(d,e,f)的滾珠絲杠軸外圓面(a,d)、滾道(b,e)和凸緣(c,f)的顯微組織

氣體滲碳滾珠絲杠軸表面以下0.15 mm處的硬度為(753±16) HV1，真空滲碳滾珠絲杠軸相同部位的硬度為(717±8) HV1，但更均勻。

氣體滲碳的滾珠絲杠軸的基體組織如圖3(a)所示，為典型的低碳板條馬氏體，局部晶界有少量貝氏體，基體硬度為(392±16) HV1。真空滲碳的滾珠絲杠軸的基體組織如圖3(b)所示，與前者有明顯差異，板條馬氏體更細小，原奧氏體晶界不僅有貝氏體，還有少量塊狀和條狀鐵素體。真空滲碳滾珠絲杠軸基體硬度為(311±15) HV1，明顯低于氣體滲碳的絲杠軸。此外，真空滲碳絲杠軸的基體組織比氣體滲碳絲杠軸的略細。

圖3 經氣體滲碳(a)和真空滲碳(b)的滾珠絲杠軸的基體組織

氣體滲碳滾珠絲杠軸的表層有明顯的沿晶界分布且深淺不一的黑色氧化物，深度為12～20 μm，如圖4所示。而真空滲碳滾珠絲杠軸的滲層沒有類似的沿晶界分布的黑色氧化物。

圖4 經氣體滲碳(a)和真空滲碳(b)的滾珠絲杠軸近表面的微觀形貌

經氣體滲碳和真空滲碳的滾珠絲杠軸不同部位滲層的硬度梯度如圖5所示。以表面至表面以下硬度為550 HV1處的距離作為有效硬化層，氣體滲碳滾珠絲杠軸外圓的有效硬化層深度為0.83 mm，滾道為0.65 mm，二者相差0.18 mm。真空滲碳滾珠絲杠軸外圓的有效硬化層深度為0.85 mm，滾道為0.77 mm，二者相差0.08 mm。可見，真空滲碳絲杠軸的有效硬化層更為均勻。此外，硬度梯度曲線表明，真空滲碳絲杠軸表面以下約0～0.2 mm處的硬度較低，表面以下約0.2～0.5 mm處的硬度反而高于氣體滲碳絲杠軸的。真空滲碳硬化層的硬度梯度更為平緩。

圖5 兩種方法滲碳的滾珠絲杠軸滲層的硬度梯度

3 討論

3.1 滲碳方法對滲層顯微組織和硬度的影響

在采用氮- 甲醇氣體滲碳的過程中，通過精確控制強滲和擴散階段的爐氣壓力、流量、溫度和碳勢等參數，可獲得硬度高、深度適中的滲層。真空滲碳則是周期性地通入乙炔，以滲碳- 真空擴散方式實現滲碳，本質上為低壓氣體滲碳，其滲速高于普通氣體滲碳[11]。本文兩種滲碳方法的溫度均為930 ℃，為達到相同的滲層深度，真空滲碳時間更短，因此真空滲碳的16MnCr5鋼原奧氏體晶粒更細小，表現為馬氏體基體組織更細小。

圖2滲碳層組織對比表明，與氣體滲碳絲杠軸相比，真空滲碳絲杠軸滲碳組織中較多的碳化物可能源于滲碳后較低的預冷速度，使得其淬火馬氏體含碳量較低；此外，真空滲碳后高壓氣淬的冷卻強度遠小于氣體滲碳后的油冷，導致較多的殘留奧氏體，所以滲層硬度略低于氣體滲碳的絲杠軸。

因合金元素含量較少，16MnCr5鋼的淬透性較低，高壓氣淬的冷卻速率較小，滾珠絲杠軸中奧氏體不能完全轉變為馬氏體而出現鐵素體。氣體滲碳的滾珠絲杠軸采用油淬，晶界未出現鐵素體，因此氣體滲碳的滾珠絲杠軸的基體硬度明顯較高。

3.2 滲碳方法對內氧化的影響

氣體滲碳的滾珠絲杠軸滲層有12～20 μm的黑色內氧化層，這是滲碳介質甲醇中的氧與16MnCr5鋼中的Si、Mn等易氧化元素發生反應所致。Si、Mn沿晶界的選擇性氧化傾向大于Fe的氧化傾向，從而發生內氧化[12]。真空滲碳氣氛為具有還原性的低壓乙炔裂解氣氛，僅含微量的氧，滲層未發生明顯的內氧化。

此外，氣體滲碳時零件表面的Si、Mn等提高淬透性的元素被氧化形成氧化物[13]，滾珠絲杠軸滲層局部淬透性下降而可能出現非馬氏體組織，進一步降低滲層的硬度。

3.3 零件幾何形狀對滲碳效果的影響

氣體滲碳過程中，爐壓始終為正壓。滲碳氣氛沿軸向流經(層流)滾珠絲杠軸表面時，其外圓面能持續均勻地得到新鮮滲碳氣氛。但由于可能會出現局部紊流，內凹的滾道表面不能獲得足夠的新鮮滲碳氣氛(如圖6(a)所示)，滲碳效果比外圓面差。因此，氣體滲碳的滾珠絲杠軸滾道的有效硬化層深度明顯小于外圓面。真空滲碳是通入乙炔滲碳氣氛滲碳-抽真空的脈沖式循環過程[14- 15]，爐壓始終為負壓，在下一個循環通入乙炔前，滾道殘留的氣氛很少，難以阻礙滲碳氣氛的流通(如圖6(b)所示)，滾道表面獲得的新鮮滲碳氣氛與外圓面無明顯差異，因此真空滲碳的滾珠絲杠軸的有效硬化層更均勻。

圖6 氣體滲碳(a)和真空滲碳(b)過程中爐內氣氛流過滾珠絲杠軸表面的示意圖

氣體滲碳時，工件形狀、裝爐方式等會影響新鮮滲碳氣氛在工件不同部位的均勻流動，從而影響滲層的均勻性。而真空滲碳過程中，由于脈沖式抽真空，廢氣易于排出，新鮮滲碳氣氛能均勻流經零件的不同部位，因此滲層較均勻。

4 結論

(1)氣體滲碳和真空滲碳的滾珠絲杠軸的滲層組織主要為細針狀馬氏體和少量殘留奧氏體，表面硬度均高于700 HV1，滲層深度大于0.65 mm。真空滲碳的滾珠絲杠軸基體組織中有鐵素體，基體硬度低于氣體滲碳的滾珠絲杠軸。

(2)氣體滲碳的滾珠絲杠軸滲層有12～20 μm厚的內氧化層，真空滲碳的滾珠絲杠軸滲層沒有發生內氧化。

(3)真空滲碳的滾珠絲杠軸滾道和外圓面的滲層深度差異小于氣體滲碳的滾珠絲杠軸，工件的幾何形狀對滲層均勻性的影響較小。