40CrNiMoA鋼氣體滲氮層硬度優化

呂藍冰，顧曉明

常州天山重工機械有限公司 江蘇常州 213125

1 序言

在重載齒輪制造領域，滲氮處理因具有微畸變、無熱處理裂紋、較高表面硬度特征，故使其在重載齒輪領域得到廣泛的應用。重載滲氮齒輪常用材質有標準31CrMoV9滲氮鋼，以及42CrMoA、34CrNiMo6、40CrNiMoA等中碳高合金鋼。由于滲氮表面硬度主要與合金化學成分有關，V、Cr，Mn、Mo元素與氮原子結合能力強，有利于提高滲氮表面硬度[1]，所以相同調質基礎性能及相同滲氮工藝條件下，氣體滲氮后表面硬度排序為：31CrMoV9鋼＞34CrNiMo6鋼＞42CrMoA鋼＞40CrNiMoA鋼。

40CrNiMoA鋼氣體滲氮齒輪軸如圖1所示。當40CrNiMoA鋼齒輪軸采用氣體滲氮熱處理時，其制造工序如下：鍛造→鍛后熱處理→粗車→半精車→調質→滾齒→精車→高溫時效去應力→磨外圓→磨齒→滲氮→成品。氣體滲氮要求如下：表面硬度≥600HV1，滲氮要求硬化層深度（498HV1）≥0.5mm，此條款不僅要求滲氮表面具有高硬度特征，而且要求實現寬的高硬度區間。滲氮物、疏松、脆性按GB/T 11354—2005 《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》評判，1～3級合格，白亮層≤0.025mm。分析滲氮技術要求，條款中技術難度最大的為滲氮層要求最少0.5mm深處達到硬度498HV1。

圖1 40CrNiMoA氣體滲氮齒輪軸

查閱相關專業資料，滲氮表面硬度相關的影響因素眾多，其中基體硬度對滲氮后表面硬度影響顯著，滲氮后的表面硬度與調質后的基體硬度呈正相關的關系[2]，主要影響因素改善和控制要點見表1。

表1 滲氮表面硬度改善和控制要點

2 滲氮試驗

40CrNiMoA鋼、34CrNiMo6鋼、42CrMoA鋼和31CrMoV9鋼齒輪軸化學成分見表2。由表2可知，40CrNiMoA鋼wNi高達1.45%，因此其淬透性能較好，淬透性優于42CrMoA鋼，差于34CrNiMo6鋼，調質基體硬度300HBW，滲氮前原始組織按GB/T 11354—2005評定為2級。采用510℃滲氮，強滲氮勢（KN）為4.65%，擴散氮勢為2.18%，換氣率為0.8次/h，工藝滲氮總時間120h，強滲氮勢下處理50h，擴散氮勢下處理70h。結果顯示，40CrNiMoA鋼突出表現出表面硬度相對較低且高硬度區間較窄的現象，同時發現其相比另外3種材質難以形成滲氮物，其中34CrNiMo6鋼和31CrMoV9鋼氣體滲氮后表面硬度高，很容易實現最少0.5m m深處達到硬度498HV1的技術要求，40CrNiMoA鋼氮化物1級，34CrNiMo6鋼氮化物3級，42CrMoA鋼氮化物2級，31CrMoV9鋼氮化物2級，4種材質滲氮金相組織和硬度對比數據見表3，氣體滲氮金相組織如圖2～圖5所示。

表2 4種材質化學成分（質量分數） （%）

表3 同爐滲氮對比數據

圖2 40CrNiMoA鋼金相組織（500×）

圖3 34CrNiMo6鋼金相組織（500×）

圖4 42CrMoA鋼金相組織（500×）

圖5 31CrMoV9鋼金相組織（500×）

考慮原材料優選會大幅增加原材料成本壓力，因此原材料成分維持不變，試驗主要在調質及滲氮工藝方面優化，一是驗證不同基體硬度對滲氮性能的影響；二是提高淬火烈度，將滲氮前基體組織調質為1級；三是降低滲氮溫度且驗證不同滲氮時間的影響；四是提高擴散氮勢值且提高換氣系數至1次/h，試驗改進前后工藝參數及結果見表4。

表4 40CrNiMoA鋼高硬度區間試驗改進前后工藝參數及結果

3 高硬度區間試驗分析討論

3.1 滲氮表面硬度與調質基體硬度的關系

試驗40CrNiMoA鋼不同調質基體硬度對滲氮表面硬度的影響，相同熔煉號材料，化學成分相同，同爐氣體滲氮，滲氮設備為罩式氣體滲氮爐，滲氮溫度495℃，擴散氮勢KN＝3.65%，換氣率1次/h，改進后樣品滲氮后硬度梯度如圖6所示。從圖6可看出，在相同調質組織及滲氮工藝條件下，隨著基體硬度的提高，滲氮后表面硬度及高硬度區間均得到提高。樣品3和樣品4的表面硬度均達到600HV1以上，而且0.5mm深處達到硬度498HV1的技術要求。

圖6 40CrNiMoA鋼不同工藝路線對滲氮硬度的影響

滲氮處理時，滲氮溫度一般低于調質高溫回火溫度40℃左右，滲氮材料調質處理，即淬火加高溫回火工藝，高溫回火溫度升高，增加了合金碳化物形成的機會，碳化物析出程度加大，即降低了鐵素體中合金元素含量，調質組織基體中固溶在鐵素體中的合金元素的減少，必然會減少合金滲氮物的形成數量且影響形態等，從而導致滲氮層硬度下降[2]。隨著回火溫度的提高，基體硬度下降，基體中合金碳化物逐漸聚集長大，相對減小了基體組織中碳化物的彌散度，從而相對減小了氮原子滲入的阻力，滲氮速度相對加快，氮原子滲入的深度也就相對增加[3]。材料調質硬度的提高，雖然使滲氮深度相對變淺，但卻明顯改善了滲氮硬度梯度，在以400HV1硬度界限值作為判定條件下，其滲氮后的有效硬化層將變深，滲氮層的高硬度有利于提高工件的耐磨性能。

3.2 40CrNiMoA鋼滲氮表面硬度與調質基體組織的關系

調質效果好，基體組織細小均勻，合金滲氮物越多，滲氮硬度越高，有利于提高耐磨性和抗疲勞性[4]。當調質基體組織中存在貝氏體或條狀、塊狀鐵素體時，滲氮后硬度相對于完全回火索氏體的低，回火索氏體中的顯微態彌散球狀碳化物有利于氮原子結合以產生高硬度特征。40CrNiMoA鋼基體組織（回火索氏體，見圖7）滲氮后的表面硬度600HV1，高于40CrNiMoA鋼基體組織（回火索氏體＋貝氏體＋鐵素體，見圖8）滲氮后的表面硬度560HV1。

圖7 回火索氏體組織（500×）

圖8 回火索氏體＋貝氏體＋鐵素體組織（500×）

3.3 滲氮表面硬度與滲氮溫度及時間的關系

滲氮溫度越高，滲氮時間越長，基體中的合金化合物粗化、球化越嚴重，滲氮后表面硬度也就越低。對于40CrNiMoA鋼，材質成分特性導致滲氮后很難獲得高表面硬度，因此其滲氮溫度需要選擇較低溫度，采用490～500℃可以獲得相對較高的滲氮表面硬度。表面硬度越高，滲氮層越深，其高硬度區間也就越寬。當以400HV1作為硬化層深的界限硬度時，隨著滲氮時間加長，雖然滲氮層不斷增加，但滲氮物的硬度也在不斷下降，過長的滲氮時間反而降低表面高硬度區間。針對基體硬度及滲氮時間對滲氮硬度曲線影響，采用極值試驗方案，基體硬度310HBW和350HBW，495℃滲氮70h和140h，正交試驗獲得的滲氮硬度曲線如圖9所示。

圖9 40CrNiMoA鋼極值試驗滲氮硬度曲線

3.4 滲氮表面硬度與氮勢及換氣率的關系

由于40CrNiMoA鋼強滲氮物形成元素Cr較少，所以其需要相對高的氮勢門檻KN值。40CrNiMoA鋼與42CrMoA鋼、34CrNiMo6鋼同爐滲氮，510℃滲氮擴散采用KN＝2.18%時，采用GB/T 11354—2005進行評級，表2試驗對應的40CrNiMoA鋼與42CrMoA鋼、34CrNiMo6鋼、31CrMoV9鋼的滲氮物級別分別為1級、2級、3級、2級，表面硬度也表現為隨著滲氮物級別增加而提高，滲氮物形成數量與強滲氮物元素Cr、Mn、Mo有關，滲氮表面硬度來源于滲氮物的存在。當提高氮勢KN值時，40CrNiMoA鋼滲層滲氮物數量適當增加，其表面硬度將呈現提高態勢。換氣率提高，氣氛中單位體積的氮原子數量增加，有利于單位面積滲氮面的氮原子吸收，同時有利于滲氮高表面硬度及寬高硬度區間的實現。

4 結束語

1）當40CrNiMoA鋼基體調質硬度≥340HBW、滲氮溫度495℃、擴散氮勢KN＝3.65%、滲氮時間100h時，滲氮后可以實現表面硬度600～635HV1，同時0.52mm深處達到硬度498HV1的技術要求。

2）相比42CrMoA鋼、34CrNiMo6鋼、31CrMoV9鋼，40CrNiMoA鋼難以形成滲氮物，因此其獲得同等滲氮物形態的氮勢門檻值高于前3種材料。

3）滲氮表面硬度及高硬度區間隨著基體硬度提高而提高，隨著氮勢提高而提高，滲氮時間過長反而會降低表面硬度及高硬度區間。