38CrMoAlA(GB/T3077-1999)是一種廣泛應(yīng)用于齒輪滲氮類合金鋼材料，該材料制造的產(chǎn)品在機(jī)械性能和使用抗磨及抗疲勞指標(biāo)較好，目前在齒輪材料上應(yīng)用日趨廣泛。由于其中含有強(qiáng)烈形成氮化元素的Al和Mo，故氣體滲氮后擴(kuò)散層的硬度可以達(dá)到很高(≥1000HV)，但是往往產(chǎn)品脆性和疏松容易超差。我廠生產(chǎn)的某種型號(hào)的錐齒輪，在檢查樣件(齒形隨爐樣件)時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面脆性和氮化物不合格， 通過(guò)綜合原因分析和有效參數(shù)識(shí)別，隨后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)分析和質(zhì)量改善。

　　1 齒輪生產(chǎn)和滲氮工藝

　　1.1 生產(chǎn)工藝

　　該型號(hào)的錐齒輪的主要生產(chǎn)工藝為：原材料→鍛件→粗車→預(yù)備熱處理(調(diào)質(zhì))→精車→粗銑齒→精刨齒→滲氮處理→車→拋光→配對(duì)研磨。由于該錐齒輪結(jié)構(gòu)特殊，既要保證齒部精度，又要滿足熱處理性能指標(biāo)，同時(shí)錐齒輪為配對(duì)使用，在使用要求上對(duì)熱處理變形控制也提出了較高的指標(biāo)?；诖酥贫嗽囼?yàn)工藝方案。

　　1.2 滲氮工藝

　　圖一 二段滲氮法

　　我廠采用負(fù)低壓真空滲氮處理，通過(guò)控制氨氣滴注量來(lái)調(diào)節(jié)氨氣的分解率。其中氨氣采用循環(huán)滴注，產(chǎn)品的裝夾方式為平放，先低溫入爐預(yù)氧化一段時(shí)間，隨后再提高溫度至滲氮溫度，具體工藝見(jiàn)圖一所示。

　　2 理化檢驗(yàn)

　　產(chǎn)品的預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)處理，金相組織為回火索氏體+少量托氏體+少量鐵素體，見(jiàn)圖二，金相組織評(píng)定為2級(jí)，符合技術(shù)要求。

　　錐齒輪氮化的技術(shù)要求為：層深0.2-0.4mm，表面硬度≥800HV，氮化層脆性≦2級(jí)，化合物層疏松≦2級(jí)，氮化物≦2級(jí)。

　　對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行理化檢驗(yàn)，其表面硬度為1110-1130HV。采用制樣機(jī)制成金相試樣，腐蝕液為4%的硝酸酒精，在金相顯微鏡下觀察組織，見(jiàn)圖三。其中氮化層深為0.37mm，化合物層深0.012mm。

　　由圖三可知，在表層可見(jiàn)較密集點(diǎn)狀孔隙，疏松等級(jí)評(píng)定為3級(jí)。擴(kuò)散層存在較為嚴(yán)重脈狀及少量連續(xù)網(wǎng)狀分布的氮化物，氮化物評(píng)定為4級(jí)。采用10kgf的維氏硬度測(cè)試脆性等級(jí)，脆性評(píng)定位為4級(jí)，見(jiàn)圖五所示。故產(chǎn)品的氮化層疏松、脆性和氮化物形態(tài)都不符合技術(shù)要求。此外，齒輪的表面還出現(xiàn)了不均勻的氧化色，且越往上層越嚴(yán)重，由此可見(jiàn)，在氮化過(guò)程中氨氣水分的含量過(guò)高。

　　圖二 調(diào)質(zhì)處理的金相組織

　　圖三 二段滲氮法齒角的金相組織

　　圖四 二段滲氮法表層脆性圖片

　　3 工藝改進(jìn)

　　3.1 因素影響

　　氣體氮化過(guò)程中，主要受到滲氮溫度、滲氮時(shí)間、氨氣的分解率等的影響。同時(shí)這些因素之間又是相互約束的，溫度的提高有利于提高氨氣分解率，促進(jìn)氮原子向鐵中轉(zhuǎn)移，時(shí)間的延長(zhǎng)也能提高氨氣的分解率，而氨氣分解率還和氨氣的流量有關(guān)。在同一溫度下，降低氨氣的流量，可以提高氨氣的分解率，同時(shí)有利于促進(jìn)氮原子向內(nèi)部擴(kuò)散，減小了表明氮原子的含量，對(duì)脆性和氮化物的改善有較好的作用。

　　3.2 三段滲氮法

　　隨后對(duì)產(chǎn)品滲氮工藝進(jìn)行了改進(jìn)，采用三段滲氮法。同時(shí)為了有效地控制氨氣水分含量，采用新干燥劑來(lái)先干燥通入氮化爐中的氨氣，并并確保氮化爐未出現(xiàn)爐內(nèi)漏氣等設(shè)備的影響。產(chǎn)品的具體工藝見(jiàn)圖五。

　　圖五 三段滲氮法

　　采取之前同樣的方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了理化檢驗(yàn)，其中表面硬度為950-950HV，滲氮層深為0.27mm，化合物層0.008mm。圖六為該工藝下齒角部位的金相組織，由圖可見(jiàn)化合物層較致密，表層有少量細(xì)點(diǎn)狀空隙，齒輪疏松評(píng)定為2級(jí)。擴(kuò)散層中存在少量呈脈沖狀分布的氮化物，氮化物評(píng)定為2級(jí)。圖七為表面脆性照片，由圖可見(jiàn)，在四方形的一邊出現(xiàn)了很少量的裂紋，故脆性評(píng)定為2級(jí)。其檢驗(yàn)結(jié)果完全符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。

　　圖六 三段滲氮法齒角的金相

　　圖七 三段滲氮法表層脆性圖片

　　4 分析

　　38CrMoAlA滲氮鋼由于表面具有很高的硬度，較高的耐磨性，因此被廣泛的應(yīng)用于齒輪、曲軸等產(chǎn)品。但是氮化過(guò)程中過(guò)高的硬度會(huì)使脆性增大，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生剝落，因此需要在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中控制滲氮層的硬度，即控制化合物層疏松和擴(kuò)散層氮化物的形態(tài)，來(lái)控制產(chǎn)品的氮化層的脆性。

　　根據(jù)等活度時(shí)效沉淀硬化理論[1]，采用二段滲氮法，可加速滲氮而使產(chǎn)品表面硬度不至于下降很多。主要是因?yàn)樵跐B氮第一階段(540℃)較長(zhǎng)時(shí)間下形成的細(xì)小沉淀物在第二階段時(shí)仍相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)明顯地長(zhǎng)大。因此，采用三段滲氮法，即提高第二階段滲氮溫度至560℃)，再加上一個(gè)短時(shí)較低溫度(520℃)的第三階段，可有效地控制細(xì)小沉淀物(ε、γ′等)的長(zhǎng)大。

　　提高第二階段滲氮溫度，并降低氨氣的流量，故提高了氨氣的分解率，降低了整體爐內(nèi)的碳勢(shì)，增加了氮原子的活化能，促進(jìn)了氮原子較快地向產(chǎn)品內(nèi)部擴(kuò)散，使產(chǎn)品的硬度梯度平緩。同時(shí)，在第二階段的基礎(chǔ)上在增加了一個(gè)短時(shí)的三階段滲氮，其中，滲氮溫度降低至520℃，氨氣流量降低為0.6m3/h。這樣就提高了氨氣的分解率，雖然氮化物的形成消耗了固溶體中的氮，但是很快就可以從等活度的氣體中轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散層中，所以可促使氮原子更大程度地向內(nèi)部擴(kuò)散，增加了滲層的深度，降低了氣體氮化的時(shí)間，節(jié)約了成本，滲氮層深度同樣能達(dá)到技術(shù)要求。

　　隨著后期氨氣流量的減少，提高了氨氣的分解率，增加了滲層的深度，滲氮時(shí)間得到了減少，可有效地控制滲層ε相和γ′相長(zhǎng)大粗化，改善表面疏松，降低表面氮含量，減小表面微裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而可降低表面脆性，防止產(chǎn)品在后續(xù)使用過(guò)程中出現(xiàn)表面剝落等現(xiàn)象。同時(shí)，表面粗大、連續(xù)網(wǎng)狀的氮化物也得到了很大程度地改善(見(jiàn)圖五)。但是由于氮化溫度提高了，所以氮化物出現(xiàn)了小部分集聚長(zhǎng)大，減小了氮化物的彌散度，故表面硬度有所降低(940-950HV)。

　　5 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)該產(chǎn)品氮化工藝的調(diào)整，由二段滲氮法改為三段滲氮法，適當(dāng)調(diào)整溫度和氨氣流量，在保證滲氮層深和表面硬度滿足技術(shù)要求的同時(shí)可有效地控制表面疏松、脆性和氮化物形態(tài)，防止后期使用出現(xiàn)表面脫落等現(xiàn)象，因此，針對(duì)這種型號(hào)的齒輪氣體氮化，改進(jìn)后的工藝是可行和有效的。