摘要：目前，常用的渗氮处理主要有离子渗氮和气体渗氮，其中离子渗氮具有能耗少、变形小、周期短、安全洁净和适用钢种广泛等优点。38CrMoAlA 钢是目前应用最成熟、最广泛的一种渗氮用中碳合金结构钢，该材料制造的产品在力学性能、疲劳强度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性方面较好，但淬透性不高、易脱碳。对38CrMoAlA 钢制齿轮进行调质处理和去应力处理后，釆用可控气氛渗氮炉进行渗氮处理，通过调整渗氮温度、保温时间、氨气分解率等参数进行工艺试验，最终采用预氧化两段快速渗氮法进行齿轮加工。
关键词：渗氮;缺陷;质量检验
众所周知，渗氮能有效提高钢铁零件的表面硬度和耐疲劳性，并能在一定程度上改善其耐蚀性能。表面渗氮处理的另一个优势是渗氮温度较低（520～560℃），钢铁材料在渗氮过程中基体金属不发生相变，与渗碳处理相比，表面渗氮之后的零件变形较小，可作为零件热处理的最后一道工序，零件渗氮之后，一般不再进行其他的机械加工，在金属材料的热处理领域，表面渗氮技术作为比较常用的化学热处理工艺，能提高钢铁零件使用性能和寿命，充分发挥钢铁材料的潜力。渗氮过程中很多因素对渗氮后的表面质量产生影响，如原材料的金相组织，炉内气氛与温度的均匀性，氮势的控制及炉内的压力等。
一、影响渗氮件畸变的因素
渗氮件畸变是一种复杂的现象，其影响因素并不是简单的、唯一的，渗氮件畸变是多种因素相互作用的结果。
1、组织应力。渗氮过程中氮原子渗入工件表层，使表层金属品格常数增大，引起晶格畸变，产生体积膨胀，致使渗层对心部产生张力作用，同时心部对渗层又施加压应力，从而形成表层受压、心部受拉的组织应力，其大小取决于渗氮层的氮浓度及渗层深度。正是由于组织变化产生的这种表面压缩应力、中心拉伸应力，使渗氮件产生微量的畸变。
2、机加工残余应力。零件机械加工过程中必定产生应力，这种残余应力同样不可忽视。在渗氮过程中，机加工应力将会释放出来使工件产生畸变。因此，必须进行去应力处理。渗氮的结构件通常都是调质件，去应力处理的温度应稍低于调质的回火温度，且保温时间尽可能长些。
二、渗氮零件热处理
零件的主要加工由于对心部硬度、表面硬度、加工精度均有较高要求，所以先进行调质热处理，稳定显微组织，获得回火索氏体，保持心部具有一定的强韧性，同时减少渗氮时氮化物分布的不均匀性。再通过去应力处理释放机械加工产生的应力集中，有利于控制零件在渗氮工序的畸变。
1、调质处理。调质处理可以改善钢的加工性能，得到均匀的索氏体组织，为渗氮做好组织准备，因此调质处理是渗氮前重要的预备热处理工序。调质淬火温度太低或者保温时间不足，则钢中会出现未转变的铁素体，增加渗氮层脆性，降低心部硬度和韧性;淬火温度过高，则导致奥氏体晶粒粗大，不仅降低钢的强度和韧性，而且在渗氮时，氮化物优先沿晶界伸展，形成波纹状或网状组织，脆性增加。根据Fe-Fe3C 状态图，亚共析钢淬火温度为Ac3以上30 ～50 ℃，38CrMoAlA 钢的Ac3为885 ℃，故淬火温度选用930 ～ 950 ℃。调质回火温度的高低不仅决定了渗氮零件心部硬度和韧性，而且对渗氮层深度和硬度也有很大影响。回火温度过高，基体中碳化物弥散度越小，对氮原子渗入的阻力越小，渗氮层深度越深，但是心部和渗氮层硬度较低;回火温度越低，心部和渗氮层的硬度越高，但渗氮层深度越浅。所以应选用适当的回火温度，使心部性能和渗氮层深度都符合要求。根据38CrMoAlA 钢回火温度-硬度曲线，将回火温度选定在590 ～ 680 ℃进行试验，试验数据见表。
零件的調质处理设备为多用炉。多用炉可实现可控气氛保护进行淬火、回火，具有无氧化脱碳的特点。调质处理时，零件由设备底部装入炉体，甲醇燃烧形成“火帘”，防止空气进入炉内。因淬火温度较高，需通过调整炉内碳势，防止零件表面脱碳和增碳。回火阶段炉内通入氮气进行气氛保护。调质热处理过程实现全程无氧状态加工。
2、去应力处理。由于38CrMoAlA 钢制齿轮精度要求较高，为了减少精加工产生的内应力造成零件渗氮时畸变，在渗氮工序前安排了两次去应力处理。去应力处理温度应低于调质回火温度而高于渗氮温度，故选用我厂结构钢常用去应力处理温度540 ～ 560 ℃，设备采用真空炉，保温3 ～ 5 h，气冷。
3、渗氮处理。零件采用气体渗氮法。38CrMoAlA 钢为典型渗氮钢，渗速较快，但由于含有铝元素，它与氮的亲和力极强，在渗氮层中形成大量的超细微的铝氮化物，这种氮化物严重减缓氮原子的扩散速度，所以当渗层深度大于0. 2 mm 时，显微组织容易出现网状氮化物。一般情况下，模数≤1.25 mm 的齿轮渗氮层深度为0.10 ～0.25 mm，而本文零件齿轮模数为DP20（1.27 mm），花键模数DP32 （0. 793 75 mm），渗层深度要求0.30 ～0.40 mm，采用传统的渗氮工艺，需要40～80 h，生产周期长、效率低、齿轮畸变较大。为了缩短生产周期，本文使用可控气氛渗氮炉进行渗氮加工。该设备是目前国内先进的化学热处理设备，具有预氧化功能，即在渗氮升温阶段未排尽空气之前，增加350 ～ 400 ℃预氧化处理，使零件表面产生轻度氧化，提高表面化学活性，形成悬键，产生表面活化中心，极大地促进活性氮原子的吸收，提高了渗氮速度。预氧化同离子渗氮、不锈钢去除钝化膜、喷砂、磷化等方法一样，活化金属表面，加快吸收过程，缩短渗氮时间。渗氮试验件均采用350～400 ℃，保温0.5 h进行预氧化处理，再继续升温至渗氮温度可以看出，有预氧化时只要保温20 h 即可达到渗层深度要求。
三、渗氮质量检验
1、心部硬度检测。零件心部硬度测量值30～31 HRC，符合28～35 HRC要求。
2、渗氮表面硬度检测。渗氮后，零件表面硬度测量值1093～ 1122 HV5，符合≥950 HV 的要求。零件外圆和齿轮表面经机械加工去除0.10 mm 后，表面硬度991～1012 HV5，符合机械加工后表面硬度≥850 HV 的要求。
3、渗氮层深度检测。渗层深度按《航空钢零件渗氮、氮碳共渗渗层深度测定方法》采用硬度测量法检测，外圆、齿轮及花键渗氮层深度符合图纸要求。
结论
零件渗氮前应进行调质处理和去应力处理等预备热处理，细化原始组织、释放加工应力稳定基体尺寸，满足基体韧性与强度的要求。按工艺参数加工齿轮的质量检验情况：渗氮层深度0.31～0.37 mm，渗氮面表面硬度1093～1122 HV5，渗氮表面精加工后表面硬度991～1012 HV5，各项指标均符合要求。
参考文献
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