1.谢海峰2.陈龙3.陈宝宝1.中国矿业大学材料科学与工程学院2.中国矿业大学信息与电气工程学院3.中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221000)
中图分类号：TG15文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）04-0000-01
摘要：镍钼奥氏体不锈钢具有非常好的抗蚀性能，但硬度低，又不能通过相变进行强化，耐磨损性能差，限制了材料性能的发挥。离子氮化是提高材料表面硬度的有效方法。
关键词：渗氮镗杆调质退火
一、引言
活性氮原子被工件表面吸附后，首先形成氮在α-Fe中的固溶体，当含氮量
超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物（Fe4N、Fe2N）。氮还与许多合金元素形成弥散的氮化物，如AlN、CrN、Mo2N等，这些合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时具有高的耐腐蚀性。因此，38CrMoAlA等含有Cr、Mo、Al等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。
氮化处理的零件表面具有极高的硬度、耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性、红硬性以及抗咬合性，多用于高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴如镗杆等。
二、实验方法
正火→调质→粗加工→去应力退火→机加工→渗氮→精加工
由于渗氮层薄，并且脆，因此要求较高强度的心部组织，所以先要进行调质处理，获得回火索氏体，提高心部的力学性能，同时减小渗氮时氮化物分布的不均匀。对于镗杆，选用38CrMoAl钢调质后渗氮，更容易满足其较高的硬度、渗氮层深度要求。
（一）调质处理、去应力退火处理
38CrMoAl钢相变点为：Ac1800℃Ac3940℃Ar1730℃Ms330℃
38CrMoAl钢热处理工艺：
正火加热930-970℃，空冷细化晶粒，消除残余应力，改善组织
去应力退火加热700-720℃，保温，空冷消除残余应力，消除加工硬化
淬火加热930-940℃，保温，油冷≥55HRC加热温度高于Ac3940℃线，Cr、Mo、Al元素溶入奥氏体中，提高淬透性，改善回火稳定性
回火加热600-680℃，保温2h，空冷241-321HBS获得回火索氏体组织
氮化温度480-600℃，表面硬度≥1000HV提高表面的疲劳强度、硬度、耐磨性和抗咬合性
（二）渗氮处理
氮化的工艺方法有：等温氮化，二段氮化，三段氮化。如将三种氮化工艺比较，等温氮化时间最长，二段氮化次之，三段氮化时间最短；但从渗氮层硬度。脆性和工件变形方面比较，等温氮化质量好些。等温氮化适合于要求表面硬度高而且变形极小的工件，二段、三段则适合于要求表面较硬而结构简单的零件，这里选用三段渗氮处理工艺。
(三)对镗杆渗氮处理的生产操作
（1）生产前的准备
①检查工件是否满足工艺要求。
②检查所使用的实验设备是否正常。
③在镗杆上螺纹刷上防渗氮涂料。
（2）渗氮处理操作
①打开炉盖，放入工件
②炉内通入氨气，打开冷却水阀门
③加热升温
④渗氮过程结束时，工件空冷
三、实验分析
（一）氮化工艺参数
氮化工艺参数主要有：氮化温度，氮化时间，氨分解率
（1）氮化温度
氮化温度一般在480-570℃左右。氮化温度越高，扩散越快，获得的氮化层便越深。但是氮化温度高至550-600℃以上时，合金氮化物会发生强烈聚集长大引起弥散度减小，表面硬度显著降低。过低的氮化温度将使氮原子扩散减慢，以致渗层过浅。
（2）氮化时间
在氮化温度一定时，主要取决于所要求的氮化层深度。随着氮化时间的延长，氮化层深度的增加先快后慢，过长的氮化时间对提高层深效果不明显。
（3）氨分解率
表示在一定温度下，分解的氮和氢的混合气体占整个炉气的体积百分比，氨分解率的高低直接影响着工件表面吸氮的速度。若分解率过高，工件表面吸附大量的氢气，将妨碍对氮的吸收，使表面氮浓度降低，氮化层硬度及深度减小。若分解率过低，大量的氨来不及分解，提供活性氮原子的几率减小，也降低氮化速度。实验表明，当分解率在15-40％左右时，钢件吸收氮的速度最快。但当温度较高时，很难维持这样低的分解率。
氨分解率除了与氮化温度有关外，还与氨气流量、工件表面积及有无催化剂等因素有关。在其他条件相同的情况下，温度越高，工件氮化面积越大，分解率就越高；氨气流量越大，分解率就越低。
(二)氮化后质量检查
（1）外观检查
正常的氮化零件表面应呈银灰色。如果表面出现黄或蓝等颜色，表明在氮化或冷却过程中零件表面被氧化，但是对使用性能无影响。
（2）表面硬度检验
由于氮化层浅薄，需用维氏硬度或表面洛氏硬度计来测定氮化层的表面硬度。为避免负荷过大压穿氮化层，负荷过小使测量不精确，故应根据氮化层深度来选择负荷。
对于氮化后还要精磨得零件，可将试样磨去0.05-0.10mm后再检查硬度，能真实地反应实际工件的使用性能。
（3）氮化层脆性的检查
目前对氮化层脆性的检查方法有两种，早期曾根据维氏硬度计的压痕的完整程度来评定氮化层的脆性等级。今年来国内外均开始采用声发射技术来评价氮化层的脆性。
(4)氮化层深度的检查
①断口法
将带有凹槽的试样折断后，用25倍带刻度的放大镜测量。由于氮化层组织较细，似瓷状断口，而中心组织较粗，能直接测出氮化层的深度。
②金相法
将金相试样用3-4％的硝酸酒精溶液或4％苦味酸酒精溶液侵蚀，可使其显现氮化层。用腐蚀抛光法可清晰而准确地显露其界限。先将试样经硫酸铜、盐酸混合溶液深腐蚀，随后在金相砂纸上磨去氮化层上的腐蚀层。再腐蚀一次后用更细的砂纸磨一下，接着进行轻腐蚀与抛光即可观察。
③硬度法
将氮化后的试样沿深层方向测定一系列硬度值。维氏硬度值HV500以上者皆可算在氮化层内。
四、实验结论
⑴要获得良好的渗氮效果，渗氮前应该进行调质处理，保证心部组织是回火索氏体，调制后工件硬度应该控制在250-280HBS，过高会造成渗氮后硬度居高不下，过低会造成渗氮硬度不足；并且在渗氮前的机加工过程应进行二次去应力处理，以避免和减少变形。
⑵渗氮温度越高，则得到的渗氮层越深，但表面硬度越低；而渗氮温度越低，则得到的渗氮层越浅，但表面硬度越高。
⑶工件渗氮过程结束后，不要立刻关闭氨气阀门，而是随炉冷却至180-200℃一下出炉时再关闭，以免影响工件表面硬度或造成工件表面氧化色。
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