深層滲氮硬化技術(shù)與時(shí)效硬化滲氮鋼

滲氮件質(zhì)量與深層滲氮硬化技術(shù)，指出實(shí)現(xiàn)有效控制滲氮質(zhì)量，確保強(qiáng)韌性滲氮件。正確選用滲氮基體材料，才可有效發(fā)揮滲氮強(qiáng)化效果。開(kāi)發(fā)時(shí)效硬化滲氮鋼和研制深層滲氮硬化技術(shù)是挖掘滲氮潛力，提高滲氮件承載能力，拓寬滲氮應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)重載齒輪和重載耐磨件滲氮工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

控制滲氮件質(zhì)量的三層理念

滲氮技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)滲氮質(zhì)量應(yīng)更新觀念，若孤立地控制滲氮層硬度和層深，則限制了滲氮技術(shù)的全面發(fā)展。

為此，我們提出了滲氮質(zhì)量的三層理念，即化合物層、擴(kuò)散層和基體。綜合控制化合物層、擴(kuò)散層和基體，充分發(fā)揮每一層的有利作用，實(shí)現(xiàn)有效控制滲氮質(zhì)量，獲得強(qiáng)韌性滲氮件，向產(chǎn)品發(fā)展。

針對(duì)零件不同的服役條件，滲氮零件除了正確選用基體材料外，必須綜合考慮滲氮化合物層、擴(kuò)散層和基體強(qiáng)韌性的合理配置，滿足滲氮零件對(duì)性能的要求（耐磨性、抗疲勞性、耐蝕性、強(qiáng)韌性），充分發(fā)揮不同滲氮方法（氣體滲氮、離子滲氮、真空滲氮、鹽浴滲氮等）自有的優(yōu)勢(shì)，把三層理念充分運(yùn)用到制定滲氮工藝中，提出了淺層滲氮、深層滲氮和深層滲氮硬化工藝，無(wú)化合物層、無(wú)脈狀組織、韌性化合物層等特種滲氮工藝，以及快速滲氮、催滲滲氮、多元共滲和復(fù)合處理等工藝。

三層理念還涉及對(duì)基體強(qiáng)韌性的認(rèn)識(shí)，正確選用滲氮工件材料，對(duì)充分發(fā)揮滲氮件性能優(yōu)勢(shì)和制定合理滲氮工藝至關(guān)重要。

深層滲氮硬化工藝

滲氮技術(shù)可以在處理工件微變形條件下，實(shí)現(xiàn)顯著提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐磨性，但是相對(duì)滲碳技術(shù)而言，滲氮層薄，基體硬度低，俗稱“蛋殼”現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了滲氮技術(shù)和應(yīng)用范圍。

淺層滲氮次表層強(qiáng)化不足，僅適用于輕載和以耐磨為主的服役條件。

為了適應(yīng)滲氮技術(shù)在重載耐磨和復(fù)雜應(yīng)力條件下的應(yīng)用，我們研制了深層離子滲氮硬化技術(shù)并開(kāi)發(fā)了時(shí)效硬化滲氮鋼。

滲氮零件在重載耐磨和重載復(fù)雜應(yīng)力條件下工作時(shí)，典型零件如重載齒輪的工作條件，承受接觸應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，滲氮層次表層承受大的剪切應(yīng)力，滲氮層剝落和疲勞破壞往往發(fā)生在次表層，因此充分強(qiáng)化次表層是滲氮零件能否在重載條件下工作和充分發(fā)揮滲氮強(qiáng)化潛力的關(guān)鍵。

我們研制的深層滲氮硬化技術(shù)包括三個(gè)相關(guān)條件：滲氮層深0.50mm以上；滲氮表面下0.40mm處硬度大于600HV；滲氮基體硬度大于400~450HV（42~46HRC）。

這項(xiàng)技術(shù)的核心是滲氮次表層顯著強(qiáng)化，采用時(shí)效硬化滲氮鋼時(shí)，可使?jié)B氮基體硬度提高到400~450HV以上。

時(shí)效硬化滲氮鋼

研制成功兩種時(shí)效硬化鋼，進(jìn)行了深層滲氮硬化試驗(yàn)。

開(kāi)發(fā)的時(shí)效硬化鋼20CrNi3Mn2Al和20Cr3MnMoV，目的在于實(shí)現(xiàn)滲氮件的深層滲氮硬化，挖掘滲氮的潛力，提高滲氮件的承載能力，拓寬滲氮的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)重載齒輪和重載耐磨件滲氮的工業(yè)應(yīng)用。

這種時(shí)效硬化鋼的時(shí)效硬化峰值溫度為520~560℃，適合于將滲氮和時(shí)效兩個(gè)工序合并，實(shí)現(xiàn)滲氮硬化和時(shí)效硬化同時(shí)完成。但是，滲氮硬化的擴(kuò)散過(guò)程和時(shí)效硬化的沉淀硬化過(guò)程，兩者時(shí)效因子不同，相互產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了一種變溫離子滲氮工藝，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)滲氮的深層擴(kuò)散硬化，同時(shí)兼顧基體時(shí)效硬化，實(shí)現(xiàn)了深層滲氮硬化的目的。

時(shí)效硬化鋼采用變溫離子滲氮工藝，實(shí)現(xiàn)了深層滲氮時(shí)效硬化、深層擴(kuò)散和基體強(qiáng)化。20CrNi3Mn2Al鋼和20Cr3MnMoV鋼空冷固溶處理后，硬度分別為33~36HRC、40~44HRC；經(jīng)過(guò)520~540℃×50h深層離子滲氮處理后滲氮表面硬度大于1000HV1，滲氮層深分別為0.75mm、0.60mm；滲氮表面下0.4mm處硬度分別達(dá)到652HV0.1、748HV0.1，滲氮基體硬度分別為431HV0.1（44.5HRC）、488HV0.1（48.5HRC）。

上述時(shí)效硬化鋼可分別用于制造高性能滲氮齒輪和重載耐磨件（包括模具），開(kāi)辟了提高滲氮件性能和擴(kuò)大滲氮工藝應(yīng)用的新途徑。新鋼種工藝和應(yīng)用研究還有許多工作待完成，新鋼種成本還較高，需要深入開(kāi)發(fā)適合不同應(yīng)用場(chǎng)合的系列滲氮鋼和新時(shí)效硬化鋼。

深層滲氮硬化技術(shù)與時(shí)效硬化滲氮鋼

結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)時(shí)效硬化滲氮鋼是研制深層滲氮硬化技術(shù)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)深層滲氮硬化是挖掘滲氮潛力，提高滲氮件承載能力，拓寬滲氮應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)重載齒輪和重載耐磨件滲氮工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。