12Cr2Ni4A鋼主動齒輪兩次碳氮共滲工藝研究

游平平, 趙明鵬

(南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

碳氮共滲(亦稱氰化)是鋼在奧氏體狀態下, 通過將活性介質分解出的碳和氮原子滲入鋼表面, 以提高表面硬度和耐磨性等性能的化學熱處理方法[1]。碳氮共滲本質上是以滲碳為主同時滲入氮的化學熱處理工藝。目前，已廣泛應用于齒輪、軸承等機械零件的表面強化處理。

某航空機載裝備中的主動齒輪如圖1所示，其材料為12Cr2Ni4A，是某產品中的重要零件。由于齒輪和花鍵受力大小和性質不一樣，因此提出的深度要求也不同。在保證心部柔韌性的同時還要確保表面的耐磨性，因而需對表面和心部強化處理提出不同的技術要求。目前，國內關于兩次氰化方面研究較少。另外，相同材料在成分上的細小差異，往往會使心部硬度出現很大的偏差。為了避免這一偏差，同時滿足兩種滲層深度要求，本文針對該零件進行兩次氰化試驗研究。

1 零件狀況

主動齒輪設計要求齒廓表面和T表面滲層深度0.55～0.75 mm，硬度58～62HRC；內花鍵齒兩側工作面滲層深度0.15～0.4 mm，硬度≥56 HRC；中心硬度34～41 HRC。金相組織按HB 5492—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金相組織分級與評定》-Ⅲc的要求執行。該類型零件兩次氰化難度在于：

圖1 零件形狀圖Fig.1 Part shape drawing

1)零件的氰化面為齒部和內花鍵，尺寸較小，氰化過程中容易產生尖角效應，金相組織不易合格。因此，需要嚴格控制滲劑濃度；

2)零件外齒的兩次氰化，需要嚴格控制滲劑的濃度和氰化過程，保證零件的氰化深度、硬度及表面金相組織合格。

3)零件的淬火方式：需探索油冷和不同溫度下等溫淬火對內花鍵變形的影響。

2 氰化工藝參數

2.1 共滲劑

氣體碳氮共滲常用滲劑為三乙醇胺和尿素混合而成的含碳氮化合物溶液(三乙醇胺和尿素按4:1比例混合)，通過滴注器滴入井式滲碳爐內。

2.2 共滲溫度

共滲溫度直接影響碳氮共滲介質的活性和碳、氮原子的擴散系數，對滲層的碳氮濃度、滲層深度乃至滲層金相組織等均有較大影響。因此，選擇合適的碳氮共滲溫度，對提高滲層質量和加快滲速十分重要。

碳氮共滲常用溫度為820～880 ℃[2]，對于要求具有良好綜合力學性能的零件，一般選取中上限，但隨著溫度的升高會使晶粒粗大，故兩次氰化均選擇860 ℃。淬火溫度是決定表面和心部組織、性能的一個重要因素，碳氮共滲后降溫直接淬火或二次加熱淬火，不同的淬火溫度對淬硬層組織和心部力學性能有較大的影響。根據相關標準及文獻[3]，本試驗選取淬火方法為碳氮共滲后直接降溫至810 ℃。

2.3 共滲速率

采用氰化工藝參數為溫度860 ℃，滴量80滴/min。12Cr2Ni4A材料的氰化結果，如表1所示。

表1 氰化溫度、深度及對應時間

相應的速率波動如圖2所示。由圖可知，氰化的平均速率在0.17～0.3 mm/h之間，并且隨著氰化深度的增加，平均速率呈遞減的趨勢。在實際生產中，通常以氰化的平均速率來檢查試棒深度，確定出爐時間。

圖2 氰化平均速率Fig.2 Average cyanidation rate

2.4 氰化工藝流程

本試驗采取的氰化工藝流程為：升溫至工作溫度(滴入滲劑排氣)→零件裝爐→排氣→回復到共滲溫度→碳氮共滲(火焰呈干凈的青黃色)。

3 試驗方法

根據設計要求(外齒最終氰化深度0.55～0.75 mm，內花鍵氰化深度0.15～0.4 mm)，本試驗設計了兩種兩次碳氮共滲工藝方法：

試驗方法一：按現有機加工藝路線，先對齒部進行一次氰化(深度達到0.4～0.6 mm),合格后再對齒部和內花鍵進行氰化，達到工藝要求深度；

試驗方法二：將齒部一次氰化達到工藝最終要求深度，然后對齒部鍍銅保護后，只對內花鍵進行氰化。

3.1 試驗方法一

3.1.1齒部一次氰化退火

第一次氰化工藝深度要求為0.4～0.6 mm。選擇齒大小、齒數等參數和零件相同的φ8 mm的12Cr2Ni4A試棒，在860 ℃保溫2.5～4 h進行氰化退火。

氰化過程中按照估算時間提前將試棒從取樣孔取出，快速檢查滲層深度，以便確定試件出爐時間，共滲170 min后出爐。退火后齒部滲層深度為0.50 mm，符合一次氰化深度0.4～0.6 mm的要求。

3.1.2 齒部二次氰化淬火

將一次氰化后的試樣加工出內花鍵，齒部一次氰化后深度0.5 mm，要求二次氰化后深度0.55～0.75 mm。由圖2可知，深度越深，滲速越慢，故滲速應低于0.17 mm/h。為了防止齒部超深，將內花鍵的深度控制在中下限，按0.17～0.3 mm/h速率估算氰化時間為1～1.5 h。通常12Cr2Ni4A材料在810 ℃淬火+低溫回火后心部硬度可達44 HRC，超過了中心硬度要求34～41 HRC，故需調整淬火工藝。

通過分析該鋼滲碳前后的C 曲線，為了同時滿足表面和心部硬度要求，本試驗采用等溫處理的方法，即在810 ℃保溫8～10 min 后轉入310 ℃硝鹽槽保溫10～15 min。此時零件心部溫度在其Ms點以下，心部組織部分轉變為馬氏體，使心部硬度滿足要求；而保溫結束后空冷至表面滲碳層的Ms點以下及后續的冷處理過程中，使表面組織發生轉變，最終滿足表面硬度要求[4]。具體工藝如圖3所示。

圖3 二次氰化熱處理工藝 Fig.3 The teice cyaniding heat treatment process

按上述工藝進行二次氰化后，齒部和內花鍵的深度和硬度見表2，齒部和內花鍵的滲層組織分別見圖4和圖5。

3.1.3 數據分析

按照上述工藝進行一次氰化后，齒部滲層深度為0.50 mm，符合機加要求的0.4～0.6 mm。二次氰化后齒部滲層深度達到0.65 mm，符合機加最終要求深度0.55～0.75 mm；內花鍵深度0.3 mm，滿足0.15～0.40 mm的要求。

表2 二次氰化后齒部和內花鍵硬度和滲層深度

圖4 二次氰化后齒部滲層金相組織Fig.4 Microstructure of carburized layer of tooth after twice cyaniding

圖5 二次氰化后內花鍵的滲層金相組織Fig.5 Microstructure of carburized layer of internal spline after twice cyaniding

齒部二次氰化淬火后表面硬度61 HRC，氰化處理與常規馬氏體淬火相比，提高了工件的表面硬度，并形成一定深度的淬硬層[5]。符合HB/Z 159中12Cr2Ni4A氰化表層硬度≥58 HRC要求，也符合設計要求58～62 HRC；內花鍵氰化表面硬度為62.5 HRC，符合HB/Z 159中12Cr2Ni4A氰化淬火后表層硬度≥58 HRC要求，同時符合設計要求≥56 HRC，中心硬度39 HRC符合設計要求的34～41 HRC。齒部二次氰化淬火后滲層的金相組織見圖4，組織為高碳馬氏體+極少量碳化物，符合檢驗標準HB 5492滲層金相組織2級，滿足設計要求的HB 5492-ⅢC類(碳化物1～7級合格，殘余奧氏體1～4級合格)；內花鍵的滲層金相組織如圖5所示，組織為高碳馬氏體+少量殘奧氏體，符合檢驗標準HB 5492滲層金相組織2級，滿足設計要求的HB 5492-ⅢC類。

3.2 試驗方法二

3.2.1 齒部一次氰化退火

按結構鋼空氣爐淬火保溫時間公式(0～10)+(1.5～2)*條件厚度min/mm，計算齒輪氰化退火后淬火保溫時間為1 h左右。內花鍵按中下限深度氰化時間為1～1.5 h，可達到一次氰化工藝最終要求深度0.55～0.75 mm。齒部鍍銅保護后，只對內花鍵進行氰化是可行的。

選擇齒輪大小、齒數等參數和零件相同的12Cr2Ni4A試樣。按已有的工藝參數進行氰化退火，共滲時間為210 min，深度為0.57 mm。

3.2.2 齒部鍍銅保護，花鍵氰化淬火

將試樣加工出內花鍵，并將試樣齒部鍍銅保護后，按圖3氰化淬火工藝進行氰化?？紤]到試樣的表面硬度，將氰化溫度降低為840 ℃。氰化后齒部和內花鍵的深度和硬度見表3，齒部和內花鍵的滲層金相組織分別見圖6和圖7。

3.2.3 數據分析

試樣氰化退火后滲層深度為0.57 mm，齒部鍍銅保護后隨內花鍵一起氰化淬火的深度為0.57 mm，滿足設計最終要求的滲層深度0.55～0.75 mm；內花鍵深度為0.23 mm，滿足設計0.15～0.40 mm的要求。齒部和內花鍵的滲層金相組織均滿足設計要求的HB 5492-ⅢC類，但齒部表面硬度有所下降，這可能是因為在高溫下有鍍銅層保護，降低了工件表面C、N原子濃度。

表3 氰化淬火后齒部和內花鍵硬度和滲層深度

圖6 氰化淬火后齒部滲層金相組織Fig.6 Microstructure of carburizing layer on tooth after cyaniding quenching

圖7 氰化淬火后內花鍵的滲層金相組織Fig.7 Microstructure of carburized layer of internal spline after cyaniding quenching

4 結果與討論

本文采用兩種兩次碳氮共滲工藝方法：一種是12Cr2Ni4A鋼齒部一次氰化達到工藝最終要求深度，然后齒部鍍銅保護，只對內花鍵進行氰化；另一種是對12Cr2Ni4A鋼齒部進行一次氰化(深度要求0.4～0.6 mm)，合格后再對齒部和內花鍵同時進行氰化，達到最終工藝要求深度。這兩種工藝方法都可以滿足技術要求。后者氰化淬火后，齒部和內花鍵的滲層深度、表面硬度、中心硬度和表面金相組織都能滿足技術要求；而前者對齒部鍍銅保護后進行二次氰化淬火，齒部表面硬度卻有所降低，只是勉強滿足設計要求。因此，對于前者可以通過嘗試將第一次氰化深度加深、增加滲劑滴量等方式來增加表面濃度，從而提高齒部表面硬度。