氣體滲氮工藝新進展及在汽車零部件上的應(yīng)用

余金科，趙俊平，牛恩來，王祖勇，吳永強，李少兵，樊曉光

東風(fēng)商用車技術(shù)中心 湖北十堰 442001

1 序言

氣體滲氮就是向密封的爐罐中通入含氨氣體，并加熱到一定溫度，使分解出的氮原子滲入到工件表層的熱處理工藝。氣體滲氮具有處理溫度低、適用鋼種多、強化效果顯著，以及工件畸變小、耐磨、耐腐蝕及抗疲勞等優(yōu)勢。氣體滲氮廣泛應(yīng)用于精密機械零件以及工模具制造等領(lǐng)域。對于熱作模具還能提高其抗黏附、抗咬合性能，并能抵抗鋁液對模具的熔損作用。雖然氣體滲氮在生產(chǎn)上應(yīng)用最早，但傳統(tǒng)氣體滲氮工藝容易產(chǎn)生疏松、多孔的化合物層，滲層脆性大，滲氮層深度較淺，基體的強度低于滲碳層，因而限制了該工藝的發(fā)展和應(yīng)用。

隨著計算機技術(shù)在熱處理方面的應(yīng)用，氣體滲氮的氮勢可實現(xiàn)自動控制。此外，隨著深層滲氮和快速滲氮技術(shù)的發(fā)展，使形狀復(fù)雜和滲層深度要求較大零件的滲氮效果得到了很大提高，且滲氮時間顯著縮短，氣體滲氮的應(yīng)用范圍越來越廣。本文在論述氣體滲氮技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，主要介紹氣體滲氮在汽車零部件上新的應(yīng)用情況。

2 氣體滲氮技術(shù)

2.1 氮勢可控技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)氣體滲氮由于氮勢的控制精確度較低，因此工件滲氮的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，大大限制了滲氮技術(shù)在形狀復(fù)雜、滲氮質(zhì)量要求較高的零件上的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以后，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，滲氮處理的精密控制程度顯著提高，尤其是氮勢自動化控制技術(shù)的應(yīng)用，使?jié)B氮質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性大幅提升。

氮勢精確控制的目的是實現(xiàn)可控氣氛滲氮，進而控制零件白亮層的厚度。首先求出形成白亮層所需的氮勢理論值，然后滲氮爐根據(jù)設(shè)定的工藝曲線自動控制爐內(nèi)氣氛的氮勢，從而控制白亮層的深度。氮勢的精確控制可以避免由于氮勢過高而導(dǎo)致工件表面形成嚴(yán)重脈狀或網(wǎng)狀氮化物，以及由于氮勢過低而導(dǎo)致工件表面硬度偏低的風(fēng)險。

趙振東等[1]采用德國制造的可控氮勢滲氮爐替代傳統(tǒng)滲氮爐，生產(chǎn)的工件滲氮質(zhì)量穩(wěn)定性好，滲氮質(zhì)量高于傳統(tǒng)滲氮爐，成本明顯降低。郁俐等[2]采用氮勢分段可控滲氮工藝對31CrMoV9鋼在500～520℃進行滲氮試驗，獲得了不同的滲氮層深度和表面硬度，且表面脆性均控制為1級。 陳立奇等[3]采用兩段式可控氮勢滲氮工藝對42CrMo鋼小內(nèi)齒圈進行滲氮處理，齒輪表面的硬度≥550HV，滲氮層深度0.2～0.4mm，白亮層精確控制在8～12μm，脆性2級以下，齒輪的滲氮質(zhì)量穩(wěn)定可靠。胡明娟等[4]根據(jù)γ′生成的氮勢門檻值原理及最優(yōu)擴散條件設(shè)計了可控氣氛滲氮工藝，在W6Mo5Cr4V2鋼上獲得了無白亮層的滲氮層。隨著計算機和智能監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，智能控制氮勢技術(shù)將會獲得大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 深層及快速滲氮技術(shù)發(fā)展

由于氮原子半徑比碳原子半徑大，且滲氮溫度比滲碳溫度低，滲氮過程中氮原子的擴散速度較慢，因此滲氮處理時要實現(xiàn)較大滲氮層深度，往往需要較長的滲氮時間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，熱處理成本高，且長時間滲氮還會導(dǎo)致工件變形較大和表面質(zhì)量不合格，這些問題大大限制了滲氮工藝在滲氮層深度要求較大、質(zhì)量要求較高的零件上的應(yīng)用。

隨著國家對節(jié)能減排的要求越來越高，“碳達峰”“碳中和”成為了熱處理行業(yè)未來發(fā)展的必然選擇。在齒輪表面強化方面，滲氮處理因其節(jié)能減排的優(yōu)勢成為了國內(nèi)外熱處理行業(yè)重點發(fā)展的技術(shù)。例如，英國、美國、德國的軍事及工業(yè)齒輪上已大范圍地采用滲氮工藝，并對滲氮工藝的發(fā)展做了長期規(guī)劃，如美國“2020年熱處理路線圖”中列入了快速滲氮工藝的開發(fā)；日本“金屬熱處理未來發(fā)展路線圖”中列入了等離子滲氮發(fā)展規(guī)劃[5]。

國內(nèi)學(xué)者也圍繞深層及快速滲氮工藝展開了大量研究。其中研究較多的是周期循環(huán)滲氮、稀土催滲、預(yù)氧化、增壓噴丸后滲氮、新鋼種開發(fā)等催滲工藝。關(guān)于催滲的機理雖有不同解釋，但是基本原理均建立在提高氣氛活性和改善零件表面狀態(tài)兩個方面。催滲技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高零件的表面質(zhì)量，且相比傳統(tǒng)氣體滲氮技術(shù)，可以有效縮短滲氮時間1/3～1/2，滲氮層深度可達1mm以上。例如，鄭宏達[6]采用XD 超級滲氮催滲劑對42CrMo、40CrNiMo、25Cr2MoV、35CrMo、40Cr、38CrMoAl等常用鋼材進行滲氮試驗，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)氣體滲氮，催滲工藝可以有效縮短滲氮時間50%，還能在100h以內(nèi)使?jié)B氮層深度達到0.8～1mm甚至更深，這是傳統(tǒng)氣體滲氮難以達成的。周上祺等[7]采用周期循環(huán)滲氮工藝對45鋼進行滲氮處理，滲氮速度提高了1倍，滲氮層深度超過4mm。陳磊等采用增壓噴丸后滲氮工藝對35鋼進行滲氮處理，相比沒有噴丸的試樣，噴丸處理可以提高滲氮速度3倍以上，且噴丸+滲氮處理的試樣表面的白亮層脆性級別更好。隨著催滲技術(shù)的快速發(fā)展，滲氮處理周期和生產(chǎn)成本將會大幅降低，滲氮技術(shù)的應(yīng)用范圍也將越來越廣，尤其是可以替代滲碳在要求高強度和高精度的零件上得到廣泛應(yīng)用。

3 滲氮在汽車零部件上的典型應(yīng)用

3.1 滲氮在差速器殼體減磨墊片上的應(yīng)用

差速器分為輪間差速器和軸間差速器，分別實現(xiàn)左右車輪、兩根橋之間不同速度旋轉(zhuǎn)。差速器墊片（材料08Al，碳氮共滲硬度450HV）裝配在齒輪（材料20CrMnTi，淬火硬度58HRC）和殼體（材料QT500-5，硬度200HBS）中間，在使用中受到?jīng)_擊載荷并隨行星齒輪旋轉(zhuǎn)，起到減小殼體和齒輪間相對轉(zhuǎn)速從而降低摩擦副磨損的作用，其失效形式有點蝕、磨粒磨損、黏著磨損和斷裂。圖1a所示為墊片磨損失效件，圖1b所示為殼體磨損失效件。

圖1 磨損差速器墊片和殼體

差速器殼體磨損的原因：墊片采用碳氮共滲工藝，工藝控制難，滲氮層深度較大甚至全部滲透，導(dǎo)致脆性較大，造成墊片失效，進而導(dǎo)致殼體磨損。

為解決墊片脆性較大的問題，改用可自動控制氮勢的滲氮爐進行氣體滲氮處理，技術(shù)要求見表1。

表1 差速器墊片滲氮技術(shù)要求

氣體滲氮工藝為：520℃保溫6～8h，氨氣分解率控制在20%～25%，然后冷卻至150℃后出爐空冷。采用該工藝制備出的墊片滲氮質(zhì)量滿足技術(shù)要求。圖2所示為新墊片和殼體臺架試驗后的照片，結(jié)果顯示差速器和墊片無磨損，投入市場后，大幅降低了失效情況的發(fā)生。

圖2 無磨損的差速器殼體和墊片

基于以上差速器殼體滲氮墊片的成功應(yīng)用，將滲氮墊片推廣至重載變速器行星齒輪墊片，采用滲氮墊片替代以前的雙金屬墊片，應(yīng)用效果較好。圖3所示為變速器行星齒輪系滲氮墊片和之前雙金屬墊片實物。

圖3 行星齒輪系墊片改進

3.2 滲氮在齒輪上的應(yīng)用

目前，滲氮技術(shù)多應(yīng)用于輕載和中載齒輪，重載齒輪多采用滲碳處理，主要原因為滲氮齒輪的滲氮層深度較淺，彎曲疲勞強度低于滲碳齒輪。英國有關(guān)部門曾在高速重載軍艦齒輪的滲氮處理方面做過很多研究，其試驗結(jié)果表明，當(dāng)采取深層滲氮、有效硬化層深度超過0.5mm時，滲氮齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞性能與滲碳淬火齒輪相當(dāng)，而抗點蝕、抗咬合性優(yōu)于滲碳齒輪[8]。國內(nèi)盧金生等[9]曾報道采用深層離子滲氮對高速重載齒輪進行滲氮處理，滲氮層深度可達到1.2mm，并實現(xiàn)表面相組織的精密控制，如γ′單相等，齒輪的深層滲氮工藝可以在一定范圍替代滲碳淬火工藝，從而省去磨齒工序，節(jié)約制造成本與工期，并在大量高參數(shù)齒輪上得到了成功的實踐應(yīng)用。馬良等[10]曾在風(fēng)電增速箱內(nèi)齒圈上做過深層滲氮工藝試驗，其材料為31CrMoV9鋼，采用可控氣氛滲氮爐對內(nèi)齒圈進行多段式氣體滲氮工藝試驗，結(jié)果表明，內(nèi)齒圈滲氮層深度可以達到0.6mm以上，且可以實現(xiàn)表面無白亮層，但是滲氮時間高于100h甚至200h。

基于以上學(xué)者的研究，筆者以重載變速器內(nèi)齒圈為研究對象進行深層滲氮工藝試驗。內(nèi)齒圈材料采用42CrMo鋼，預(yù)處理為調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度為25～30HRC。隨后對內(nèi)齒圈進行深層滲氮，滲氮工藝采用稀土催滲、氣體滲氮。滲氮溫度為520℃，時間為40～60h，催滲劑為鑭系稀土醇鹽和乙醇的混合物。滲氮結(jié)果顯示，稀土催滲、氣體滲氮內(nèi)齒圈的滲氮層深度可以達到0.7mm以上，表面硬度820HV，白亮層厚度10～20μm，脆性級別1～2級，疏松級別1～2級，脈狀等級1～2級。圖4所示為催滲滲氮內(nèi)齒圈的成品和相關(guān)檢測示意。

圖4 催滲滲氮內(nèi)齒圈

滲氮內(nèi)齒圈通過轉(zhuǎn)矩2200N·m的變速器臺架試驗，臺架無異常，結(jié)果表明，滲氮內(nèi)齒圈可以替代滲碳內(nèi)齒圈在一定轉(zhuǎn)矩的重載變速器上應(yīng)用。

基于以上研究，筆者還對重型柴油發(fā)動機齒輪進行了稀土催滲滲氮工藝研究，試驗對象為空壓機惰齒輪，材料為35CrMo鋼，預(yù)處理為調(diào)質(zhì)處理，硬度為25～28HRC，滲氮溫度530℃，滲氮時間15h。滲氮結(jié)果顯示，稀土催滲、氣體滲氮惰齒輪的滲氮層深度可以達到0.5mm，表面硬度750HV，白亮層厚度10～15μm，脆性級別1～2級，疏松級別1～2級，脈狀等級1～2級，齒輪彎曲疲勞試驗結(jié)果顯示，滲氮齒輪的彎曲疲勞強度與滲碳齒輪相當(dāng)。滲氮齒輪相比滲碳齒輪可以省去磨齒工序，降低制造成本，此外滲氮齒輪的耐蝕性更好。圖5所示為滲氮空壓機惰齒輪及其滲氮層金相圖片。

圖5 滲氮空壓機惰齒輪及其滲氮層金相

4 結(jié)論與展望

本文綜述了氮勢自動控制技術(shù)和快速及深層滲氮技術(shù)的特點和最新進展，并結(jié)合在商用車零部件上的典型應(yīng)用案例，分析了滲氮技術(shù)的優(yōu)勢和取得的效果。隨著計算機技術(shù)和快速滲氮技術(shù)的發(fā)展，未來滲氮設(shè)備的精確控制度和滲氮速度將會大幅提高，滲氮的效率和成本將會顯著改善。結(jié)合零件的應(yīng)用場景，可以實現(xiàn)不同的滲氮技術(shù)要求，且滲氮質(zhì)量穩(wěn)定可靠。尤其快速深層滲氮技術(shù)的發(fā)展，將會加速滲氮替代滲碳在零件表面強化方面的應(yīng)用。