锥齿轮38CrMoAlA材料气体渗氮质量控制和研究

38CrMoAlA（GB/T3077-1999）是一种广泛应用于齿轮渗氮类合金钢材料，该材料制造的产品在机械性能和使用抗磨及抗疲劳指标较好，目前在齿轮材料上应用日趋广泛。由于其中含有强烈形成氮化元素的Al和Mo，故气体渗氮后扩散层的硬度可以达到很高（≥1000HV），但是往往产品脆性和疏松容易超差。我厂生产的某种型号的锥齿轮，在检查样件（齿形随炉样件）时，发现表面脆性和氮化物不合格， 通过综合原因分析和有效参数识别，随后对产品进行了检验分析和质量改善。

1 齿轮生产和渗氮工艺

1.1 生产工艺

该型号的锥齿轮的主要生产工艺为：原材料→锻件→粗车→预备热处理（调质）→精车→粗铣齿→精刨齿→渗氮处理→车→抛光→配对研磨。由于该锥齿轮结构特殊，既要保证齿部精度，又要满足热处理性能指标，同时锥齿轮为配对使用，在使用要求上对热处理变形控制也提出了较高的指标。基于此制定了试验工艺方案。

1.2 渗氮工艺

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图一 二段渗氮法

我厂采用负低压真空渗氮处理，通过控制氨气滴注量来调节氨气的分解率。其中氨气采用循环滴注，产品的装夹方式为平放，先低温入炉预氧化一段时间，随后再提高温度至渗氮温度，具体工艺见图一所示。

2 理化检验

产品的预备热处理为调质处理，金相组织为回火索氏体+少量托氏体+少量铁素体，见图二，金相组织评定为2级，符合技术要求。

锥齿轮氮化的技术要求为：层深0.2-0.4mm，表面硬度≥800HV，氮化层脆性≦2级，化合物层疏松≦2级，氮化物≦2级。

对产品进行理化检验，其表面硬度为1110-1130HV。采用制样机制成金相试样，腐蚀液为4%的硝酸酒精，在金相显微镜下观察组织，见图三。其中氮化层深为0.37mm，化合物层深0.012mm。

由图三可知，在表层可见较密集点状孔隙，疏松等级评定为3级。扩散层存在较为严重脉状及少量连续网状分布的氮化物，氮化物评定为4级。采用10kgf的维氏硬度测试脆性等级，脆性评定位为4级，见图五所示。故产品的氮化层疏松、脆性和氮化物形态都不符合技术要求。此外，齿轮的表面还出现了不均匀的氧化色，且越往上层越严重，由此可见，在氮化过程中氨气水分的含量过高。

图二 调质处理的金相组织

图三 二段渗氮法齿角的金相组织

图四 二段渗氮法表层脆性图片

3 工艺改进

3.1 因素影响

气体氮化过程中，主要受到渗氮温度、渗氮时间、氨气的分解率等的影响。同时这些因素之间又是相互约束的，温度的提高有利于提高氨气分解率，促进氮原子向铁中转移，时间的延长也能提高氨气的分解率，而氨气分解率还和氨气的流量有关。在同一温度下，降低氨气的流量，可以提高氨气的分解率，同时有利于促进氮原子向内部扩散，减小了表明氮原子的含量，对脆性和氮化物的改善有较好的作用。

3.2 三段渗氮法

随后对产品渗氮工艺进行了改进，采用三段渗氮法。同时为了有效地控制氨气水分含量，采用新干燥剂来先干燥通入氮化炉中的氨气，并并确保氮化炉未出现炉内漏气等设备的影响。产品的具体工艺见图五。

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图五 三段渗氮法

采取之前同样的方式对产品进行了理化检验，其中表面硬度为950-950HV，渗氮层深为0.27mm，化合物层0.008mm。图六为该工艺下齿角部位的金相组织，由图可见化合物层较致密，表层有少量细点状空隙，齿轮疏松评定为2级。扩散层中存在少量呈脉冲状分布的氮化物，氮化物评定为2级。图七为表面脆性照片，由图可见，在四方形的一边出现了很少量的裂纹，故脆性评定为2级。其检验结果完全符合产品的技术要求。

图六 三段渗氮法齿角的金相

图七 三段渗氮法表层脆性图片

4 分析

38CrMoAlA渗氮钢由于表面具有很高的硬度，较高的耐磨性，因此被广泛的应用于齿轮、曲轴等产品。但是氮化过程中过高的硬度会使脆性增大，导致产品产生剥落，因此需要在实际生产过程中控制渗氮层的硬度，即控制化合物层疏松和扩散层氮化物的形态，来控制产品的氮化层的脆性。

根据等活度时效沉淀硬化理论，采用二段渗氮法，可加速渗氮而使产品表面硬度不至于下降很多。主要是因为在渗氮第一阶段（540℃）较长时间下形成的细小沉淀物在第二阶段时仍相对稳定，不会明显地长大。因此，采用三段渗氮法，即提高第二阶段渗氮温度至560℃)，再加上一个短时较低温度（520℃）的第三阶段，可有效地控制细小沉淀物（ε、γ′等）的长大。

提高第二阶段渗氮温度，并降低氨气的流量，故提高了氨气的分解率，降低了整体炉内的碳势，增加了氮原子的活化能，促进了氮原子较快地向产品内部扩散，使产品的硬度梯度平缓。同时，在第二阶段的基础上在增加了一个短时的三阶段渗氮，其中，渗氮温度降低至520℃，氨气流量降低为0.6m3/h。这样就提高了氨气的分解率，虽然氮化物的形成消耗了固溶体中的氮，但是很快就可以从等活度的气体中转移到扩散层中，所以可促使氮原子更大程度地向内部扩散，增加了渗层的深度，降低了气体氮化的时间，节约了成本，渗氮层深度同样能达到技术要求。

随着后期氨气流量的减少，提高了氨气的分解率，增加了渗层的深度，渗氮时间得到了减少，可有效地控制渗层ε相和γ′相长大粗化，改善表面疏松，降低表面氮含量，减小表面微裂纹的产生，进而可降低表面脆性，防止产品在后续使用过程中出现表面剥落等现象。同时，表面粗大、连续网状的氮化物也得到了很大程度地改善（见图五）。但是由于氮化温度提高了，所以氮化物出现了小部分集聚长大，减小了氮化物的弥散度，故表面硬度有所降低（940-950HV）。

5 结论

通过对该产品氮化工艺的调整，由二段渗氮法改为三段渗氮法，适当调整温度和氨气流量，在保证渗氮层深和表面硬度满足技术要求的同时可有效地控制表面疏松、脆性和氮化物形态，防止后期使用出现表面脱落等现象，因此，针对这种型号的齿轮气体氮化，改进后的工艺是可行和有效的。

END