35CrMoV钢心部硬度对离子渗氮性能的影响

■王飞宇，张忠和，于百芳，蒋申柱，程亮，梁盈

摘要：为了通过提高离子渗氮件的心部硬度，从而提高其承载能力，就35CrMoV心部硬度对离子渗氮性能的影响进行了试验研究，采用4种不同硬度的试样同炉进行离子渗氮工艺试验，采用金相法、硬度梯度法检验渗氮层的性能指标，金相检验法出现了硬度提高渗氮层变浅的现象，但硬度梯度法检验并没有这个规律，硬度提高脉状组织略微严重，但都合格，结论硬度提高对离子渗氮性能影响不大，提高心部硬度后，接触疲劳、弯曲疲劳强度可以大幅提高。

关键词：心部硬度；离子渗氮；工艺性能

1. 试验材料及试验方法

（1）试验材料 试验用材料为35CrMoV，其化学成分见表1。该材料经电炉冶炼，采用自由锻造，锻造比为3，锻造后机械加工，并经超声波无损检测合格，锻件尺寸为φ143mm×184mm。

（2）试验方法 锻件毛坯粗加工后，进行900℃正火+900℃淬火+600～660℃不同温度的回火处理，得到不同强度、硬度的试样，离子渗氮试样的尺寸10mm×10mm×25mm，不同硬度试样同炉进行离子渗氮工艺试验，试验用设备为LDMC-150脉冲离子渗氮炉。离子渗氮工艺参数见表2，试验完成后参照GB/ T11354—2005 钢铁零件氮化层深度测定和金相组织检验标准对试样进行金相组织检验。

2. 力学性能试验数据

经预备热处理后的试棒，加工力学性能试样，拉伸试样为φ6mm标准试样，冲击试样为10mm×10mm×55mm的标准夏比冲击试验，力学性能试验数据见表3。试样的硬度值我们有意控制在280～340HBW。

表1 试验材料35CrMoV化学成分（质量分数） （%）

Si Mn Cr Mo V S P 0.34 0.25 0.58 1.09 0.23 0.13 0.008 0.026 C

表2 脉冲离子渗氮工艺试验的工艺参数

占空比（%）1、2、3、4号520 30 1.2 360 720 70试样编号渗氮温度/℃渗氮时间/h氨气流量/L·min-1气体压力/Pa电压/V

表3 预备热处理的力学性能试验数据

试样编号RP0.2/MPaRm/MPaA（%）Z（%）HBWAKU2/J 1 1035112515.06633769 2 972104916.56829960、66 3 948102815.56430280、84 4 81597015.56228357

3.金相显微组织分析

（1）渗氮层深度 对不同强度、硬度的4个试样，同炉进行离子渗氮处理后用马氏试剂腐蚀，放大100倍用金相法检验氮化层的厚度，其金相照片见图1，渗氮层深度值列入表4，基本有一个规律，强度、硬度越高，氮化层就越浅。

（2）氮化物组织 扩散层中氮化物的评级，在光学显微镜下放大500倍，取其组织最差的部位，按扩散层中氮化物的形态、数量和分布情况，参照渗氮层氮化物级别图进行评定。标准中分为5级，一般零件1～3级为合格，重要零件1～2级为合格。4个试样的氮化物检验金相照片见图2，1号样评定为2级，其余为1级。

（3）心部组织 原始组织在渗氮处理以前进行检验（对大工件可在表面2mm深度范围内检查），在显微镜下放大500倍，参照原始组织级别图进行评定，对调质钢渗氮前原始组织级别按索氏体中游离铁素体数量分为5级，一般零件1～3级为合格，重要零件1～2级为合格。我们是在离子渗氮后检验的试样中心部位，1、2号试样的心部组织见图3a、图3 b，1号评定2级，2号评定1级，其余见表4。

（4）渗氮层脆性 检验渗氮层脆性采用维氏硬度计，试验力规定用98.07N（10kgf），加载必须缓慢（在5～9s内完成），加载后停留5～10s，然后去载荷，也可采用49.03N（5kgf），但需按标准中表3的值换算。渗氮层脆性级别按维氏硬度压痕边角碎裂程度分为5级，维氏硬度压痕在放大倍数为100倍下进行检验。每件至少测3点，其中2点以上处于相同级别时才能定级，否则需重复测定1次。4个试样的脆性均为1级，图3c是1号试样测量梯度时的压痕。

图1 渗氮层厚度金相照片（100×）

图2 渗氮层中脉状组织照片（500×）

（5）渗氮层硬度梯度检测 我们对1、4号离子渗氮试样进行了硬度梯度的检测，测量结果见图3d，从图3d可以看出：垂直于离子渗氮试样表面任何深度处的硬度值，都是1号试样高于4号试样的，换句话说，硬度高的1号试样的渗氮层深度高于硬度低的4号试样。这同金相法的检验结果恰好相反，而在两种检验方法中，硬度梯度法更准确一些，国家标准中也明确规定，仲裁采用硬度梯度法。

4. 渗氮层数据及分析

渗氮层的检验数据全部列于表4，结合表3、表4一起分析，从表3的硬度变化，从1号到4号试样的强度硬度基本是降低的，而表4的渗氮层厚度是增加的，也就是说金相检验方法，基本有一个规律，强度硬度越高，渗氮层就越浅。

从金相检验方法提高强度硬度，降低渗氮的速度，但看图3d中1、4号样硬度梯度曲线，并不是这样的，提高强度硬度对渗氮速度并没有影响，说明只是对金相腐蚀有影响。另外，厚度检验还是要以硬度梯度方法为准的；理论上提高心部硬度，表面硬度应该提高，但从试验数据上并没有明显的规律；渗氮层脆性全部为1级；氮化物脉状组织1号强度硬度高的严重，其他试验中也出现过这种现象。

图3 心部组织、脆性、硬度梯度曲线

表4 离子渗氮工艺试验的结果

编号渗氮层深（金相法）/mm硬度梯度表面硬度HV5渗层脆性/级心部组织/级氮化物/级1 0.50～0.55见图3d 719、687 1 2 2 2 0.60～0.65—687、696 1 1 1 3 0.60～0.65—700、691 1 1～2 1 4 0.65～0.70见图3d 729、705 1 1～2 1

5. 结语

通过对不同强度硬度的4个试样同炉进行离子渗氮工艺试验，在用金相检验法检验渗氮层深度时，反映出随着强度硬度的提高，渗氮层深度变浅的现象，但硬度梯度法检验时，并不存在这种问题，说明提高强度、硬度对渗氮工艺没有太大影响。

提高强度硬度，氮化物脉状组织相对不易控制，对控制扩散层中氮化物形态、数量和分布增加了难度，但影响不是很大；提高心部强度、硬度，从而提高表面硬度，没有发现明显的规律。

结论是提高心部强度、硬度，对离子渗氮工艺没有增加太大的难度，而提高心部强度、硬度，可以大幅提高渗氮件的承载能力，对提高渗氮齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，具有重大意义的。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会发布.GB/ T11354-2005 钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验标准[S].北京：北京标准出版社，2005.

20170401

作者简介：王飞宇、张忠和、于百芳、蒋申柱、程亮、梁盈，沈阳鼓风机集团股份有限公司。