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]，國標中滲氮零件的檢驗標準也是針對此類材料編寫。

根據國外零件圖紙發現，20MnCr5HHA材料經過滲氮處理后可能達到與該材料進行常規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]，在此之前從未進行過滲氮處理，且現有文獻并無此類的研究，因此并不明確國外圖紙中所給出的這種工藝是否合理。同時，隨著滲氮工藝中稀土催滲技術的廣泛應用[5-6]，同一零件采用滲氮工藝的時間甚至可能逐漸接近于滲碳工藝。為了驗證20MnCr5HHA材料是否存在氮化的可能性，選取不同模數的兩種20MnCr5HHA零件進行相同工藝的氮化試驗，以求獲得該材料的氮化數據，為后續可能進行的新工藝開發和不同工藝之間的成果對比做出一定的技術儲備。

1 零件選擇及試驗方法

試驗材料為20MnCr5HHA鋼，化學成分如表1所示。為了驗證模數對氮化效果的影響，所選零件分別為：模數為8的太陽輪A；模數為1.5的太陽輪B。

表1 20MnCr5HHA材料化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition of 20MnCr5HHAmaterial(mass fraction,%)

具體試驗過程為：先將兩種零件同時入爐，進行840 ℃×2 h淬火+560 ℃×3 h高溫回火的調質處理；然后按照常規氮化工藝(見圖1)進行氮化；在滲氮過程完成后，對氮化處理的零件進行性能檢測。

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

2 試驗結果及分析

2.1 白亮層

白亮層為氮化后零件表面出現的化合物層，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準工藝要求。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

國外圖紙要求零件的表面硬度為650～750 HV，轉化為洛氏硬度為89.2～91.1 HR15N。此外，陜西法士特汽車傳動工程研究院制定的氮化標準中要求表面硬度≥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，若按企業標準進行評價，該零件的表面硬度符合技術要求；若按圖紙要求，表面硬度處于下限，有較大的超差風險。

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

國外圖紙要求零件的心部硬度為233～319 HB，轉換為維氏硬度在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到國外圖紙要求，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

國外圖紙要求零件硬化層深為0.35～0.45 mm。由于國外圖紙并未給出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按照該公司熱處理標準中規定的當圖紙中未明確指出層深判定時則按照心部硬度+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外圖紙要求，硬度下降趨勢一致，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

國外圖紙并未給出20MnCr5HHA材料的脈狀組織及脆性要求，但企業標準要求脈狀組織和脆性均為1～2級合格。

滲氮后兩種零件的脈狀和脆性組織如圖4所示，檢測結果如表4所示。可以看出，兩種零件的脈狀組織及脆性均符合企業標準要求。

(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 結論

本文通過對不同模數20MnCr5HHA材料進行氮化試驗，驗證了該材料是否具有氮化的可行性，結合國外圖紙要求和企業標準獲得具體結論如下：

1)20MnCr5HHA材料經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均可達到企業標準及圖紙要求；2)模數對于20MnCr5HHA材料的氮化可行性試驗影響較小，不同模數所獲得的試驗結果趨勢基本一致；3)現有工藝條件下20MnCr5HHA材料的表面硬度與心部硬度均有超下差的風險，若后續需要針對20MnCr5HHA材料開發氮化工藝，其調質、氮化的工藝參數還需進一步進行優化。