基于20MnCr5HHA材料的氮化可行性探究

王文婷，車永平，朱鵬凱，黃太偉

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710077)

一般情況下，用于滲氮處理的材料多為40Cr、42CrMo、38CrMoAlA鋼等含碳量較高的材料[1-3]，國(guó)標(biāo)中滲氮零件的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也是針對(duì)此類材料編寫。

根據(jù)國(guó)外零件圖紙發(fā)現(xiàn)，20MnCr5HHA材料經(jīng)過滲氮處理后可能達(dá)到與該材料進(jìn)行常規(guī)滲碳淬火工藝相近的性能要求。由于20MnCr5HHA材料通常采用滲碳淬火工藝[4]，在此之前從未進(jìn)行過滲氮處理，且現(xiàn)有文獻(xiàn)并無此類的研究，因此并不明確國(guó)外圖紙中所給出的這種工藝是否合理。同時(shí)，隨著滲氮工藝中稀土催滲技術(shù)的廣泛應(yīng)用[5-6]，同一零件采用滲氮工藝的時(shí)間甚至可能逐漸接近于滲碳工藝。為了驗(yàn)證20MnCr5HHA材料是否存在氮化的可能性，選取不同模數(shù)的兩種20MnCr5HHA零件進(jìn)行相同工藝的氮化試驗(yàn)，以求獲得該材料的氮化數(shù)據(jù)，為后續(xù)可能進(jìn)行的新工藝開發(fā)和不同工藝之間的成果對(duì)比做出一定的技術(shù)儲(chǔ)備。

1 零件選擇及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為20MnCr5HHA鋼，化學(xué)成分如表1所示。為了驗(yàn)證模數(shù)對(duì)氮化效果的影響，所選零件分別為：模數(shù)為8的太陽輪A；模數(shù)為1.5的太陽輪B。

表1 20MnCr5HHA材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of 20MnCr5HHAmaterial(mass fraction,%)

具體試驗(yàn)過程為：先將兩種零件同時(shí)入爐，進(jìn)行840 ℃×2 h淬火+560 ℃×3 h高溫回火的調(diào)質(zhì)處理；然后按照常規(guī)氮化工藝(見圖1)進(jìn)行氮化；在滲氮過程完成后，對(duì)氮化處理的零件進(jìn)行性能檢測(cè)。

圖1 零件的氮化工藝Fig.1 Ntriding process of parts

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 白亮層

白亮層為氮化后零件表面出現(xiàn)的化合物層，一般要求其厚度≤0.02 mm。兩種零件滲氮后的表面白亮層如圖2所示，零件A和零件B的白亮層厚度分別為0.015 mm和0.020 mm。可以看出，兩種零件白亮層的厚度均符合標(biāo)準(zhǔn)工藝要求。然而由于此類零件之前均用于滲碳處理的熱前滾齒件，并未經(jīng)過剃齒精加工，零件表面的粗糙度較大，因此其白亮層的均勻性較差。

2.2 表面硬度

國(guó)外圖紙要求零件的表面硬度為650～750 HV，轉(zhuǎn)化為洛氏硬度為89.2～91.1 HR15N。此外，陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院制定的氮化標(biāo)準(zhǔn)中要求表面硬度≥85 HR15N和≥40 HRC。

滲氮后兩種零件的表面硬度如表2所示。可以看出，若按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，該零件的表面硬度符合技術(shù)要求；若按圖紙要求，表面硬度處于下限，有較大的超差風(fēng)險(xiǎn)。

表2 滲氮零件表面硬度Table 2 Surface hardness of nitriding parts

(a)零件A；(b)零件B圖2 滲氮后零件的白亮層(a)part A；(b)part BFig.2 White bright layer of parts after nitriding

2.3 心部硬度

國(guó)外圖紙要求零件的心部硬度為233～319 HB，轉(zhuǎn)換為維氏硬度在245～336 HV之間。

滲氮后兩種零件的心部硬度如表3所示。可以看出，零件B的心部硬度值略高于零件A，但整體心部硬度值均未能達(dá)到國(guó)外圖紙要求，處于下限。

表3 滲氮零件的心部硬度Table 3 Core hardness of nitriding parts

2.4 硬化層深

國(guó)外圖紙要求零件硬化層深為0.35～0.45 mm。由于國(guó)外圖紙并未給出20MnCr5HHA材料具體的滲氮層深界限值，因此該材料的層深確定暫時(shí)按照該公司熱處理標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的當(dāng)圖紙中未明確指出層深判定時(shí)則按照心部硬度+100 HV處深度確定，即A零件的層深為0.377 mm；B零件的層深為0.416 mm。

滲氮后兩種零件的顯微硬度分布曲線如圖3所示。可以看出，兩種零件的層深深度均能符合國(guó)外圖紙要求，硬度下降趨勢(shì)一致，且零件B的層深略高于零件A。

圖3 滲氮零件的顯微硬度分布曲線Fig.3 Microhardness distribution curve of nitriding parts

2.5 脈狀組織及脆性

國(guó)外圖紙并未給出20MnCr5HHA材料的脈狀組織及脆性要求，但企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求脈狀組織和脆性均為1～2級(jí)合格。

滲氮后兩種零件的脈狀和脆性組織如圖4所示，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。可以看出，兩種零件的脈狀組織及脆性均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a)、(b)零件A；(c)、(d)零件B圖4 滲氮零件的脈狀及脆性組織(a) ,(b) part A; (c),(d) part BFig.4 The vein and brittleness structure of nitriding parts

表4 氮化零件脈狀組織及脆性等級(jí)Table 4 The vein structure and brittloness grade of nitriding parts

2.6 心部組織

滲氮零件的心部組織為均勻分布的回火索氏體，如圖5所示。可以看出，兩種零件的心部組織形貌、晶粒大小相同，為層片狀分布的回火索氏體。

(a)零件A；(b)零件B圖5 滲氮零件的心部組織(a)part A；(b)part BFig.5 The core microstructure of nitriding parts

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同模數(shù)20MnCr5HHA材料進(jìn)行氮化試驗(yàn)，驗(yàn)證了該材料是否具有氮化的可行性，結(jié)合國(guó)外圖紙要求和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)獲得具體結(jié)論如下：

1)20MnCr5HHA材料經(jīng)過氮化處理后白亮層厚度、硬化層深度、脈狀組織與脆性等級(jí)均可達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及圖紙要求；2)模數(shù)對(duì)于20MnCr5HHA材料的氮化可行性試驗(yàn)影響較小，不同模數(shù)所獲得的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致；3)現(xiàn)有工藝條件下20MnCr5HHA材料的表面硬度與心部硬度均有超下差的風(fēng)險(xiǎn)，若后續(xù)需要針對(duì)20MnCr5HHA材料開發(fā)氮化工藝，其調(diào)質(zhì)、氮化的工藝參數(shù)還需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。