40CrNiMoA钢气体渗氮层硬度优化.pdf

2024年 第1期 热加工68热 处 理Heat Treatment40CrNiMoA钢气体渗氮层硬度优化吕蓝冰，顾晓明常州天山重工机械有限公司 江苏常州 213125摘要：通过分析40CrNiMoA钢调质基体硬度、回火索氏体数量、渗氮温度、氮势值，以及换气率对渗氮性能的影响，得出结论：硬化层深度（498HV1）随基体硬度提高而增加，随回火索氏体数量增加而增加，随渗氮温度降低而增加，随氮势值和换气率提高而增加。40CrNiMoA钢气体渗氮可以实现表面硬度达到600635HV1，同时0.52mm深处达到498HV1的技术要求。关键词：40CrNiMoA钢；气体渗氮；高硬度区间Hardness optimization of gas nitriding layer on 40CrNiMoA steelL Lanbing,GU XiaomingChangzhou Tianshan Heavy Industry Machinery Co.Ltd.,Changzhou 213125,Jiangsu,China Abstract:By analyzing the effects of matrix hardness,tempered martensite quantity,nitriding temperature,nitrogen potential value,and gas exchange rate on nitriding performance of 40CrNiMoA steel,the study shows that the depth of the hardened layer/498HV1 increases with the increase of matrix hardness,tempering martensite quantity,decreasing nitriding temperature,and increasing nitrogen potential value and gas exchange rate.Gas nitriding of 40CrNiMoA steel can achieve a surface hardness of 600HV1 to 635HV1,while meeting the technical requirements of 498HV1 at a depth of 0.52mm.Keywords:40CrNiMoA steel；gas nitriding；high hardness range第一作者：吕蓝冰，工程师，主要研究方向为金属材料与热处理，E-mai：。通信作者：顾晓明，高级工程师，主要研究方向为金属材料与热处理，E-mail：。1 序言在重载齿轮制造领域，渗氮处理因具有微畸变、无热处理裂纹、较高表面硬度特征，故使其在重载齿轮领域得到广泛的应用。重载渗氮齿轮常用材质有标准31CrMoV9渗氮钢，以及42CrMoA、34CrNiMo6、40CrNiMoA等中碳高合金钢。由于渗氮表面硬度主要与合金化学成分有关，V、Cr，Mn、Mo元素与氮原子结合能力强，有利于提高渗氮表面硬度1，所以相同调质基础性能及相同渗氮工艺条件下，气体渗氮后表面硬度排序为：31CrMoV9钢34CrNiMo6钢42CrMoA钢40CrNiMoA钢。40CrNiMoA钢气体渗氮齿轮轴如图1所示。当40CrNiMoA钢齿轮轴采用气体渗氮热处理时，其制造工序如下：锻造锻后热处理粗车半精车调质滚齿精车高温时效去应力磨外圆磨齿渗氮成品。气体渗氮要求如下：表面硬度600HV1，渗氮要求硬化层深度（498HV1）2024年 第1期 热加工69热 处 理Heat Treatment0.5mm，此条款不仅要求渗氮表面具有高硬度特征，而且要求实现宽的高硬度区间。渗氮物、疏松、脆性按GB/T 113542005 钢铁零件 渗氮层深度测定和金相组织检验评判，13级合格，白亮层0.025mm。分析渗氮技术要求，条款中技术难度最大的为渗氮层要求最少0.5mm深处达到硬度498HV1。查阅相关专业资料，渗氮表面硬度相关的影响因素众多，其中基体硬度对渗氮后表面硬度影响显著，渗氮后的表面硬度与调质后的基体硬度呈正相关的关系2，主要影响因素改善和控制要点见表1。表1 渗氮表面硬度改善和控制要点工序环节改善要点控制要点原材料提高材质Cr、Mo含量优选化学成分调质调质基体硬度提高降低回火温度细化晶粒，获得弥散分布渗氮物原材料晶粒度控制及调质细化晶粒工艺研发提高基体回火索氏体占比提高淬透程度渗氮预氧化，增加表面氮原子吸附率及均匀性300400接触空气氧化降低渗氮温度控制必要的活力，防止氮原子渗入动能不足提高KN值，形成适量渗氮物防止白亮层超标调整换气率确认氨气供给能力2 渗氮试验40CrNiMoA钢、34CrNiMo6钢、42CrMoA钢和31CrMoV9钢齿轮轴化学成分见表2。由表2可知，40CrNiMoA钢wNi高达1.45%，因此其淬透性能较好，淬透性优于42CrMoA钢，差于34CrNiMo6钢，调质基体硬度300HBW，渗氮前原始组织按GB/T 113542005评定为2级。采用510渗氮，强渗氮势（KN）为4.65%，扩散氮势为2.18%，换气率为0.8次/h，工艺渗氮总时间120h，强渗氮势下处理50h，扩散氮势下处理70h。结果显示，40CrNiMoA钢突出表现出表面硬度相对较低且高硬度区间较窄的现象，同时发现其相比另外3种材质难以形成渗氮物，其中34CrNiMo6钢和31CrMoV9钢气体渗氮后表面硬度高，很容易实现最少0.5mm深处达到硬度498HV1的技术要求，40CrNiMoA钢氮化物1级，34CrNiMo6钢氮化物3级，42CrMoA钢氮化物2级，31CrMoV9钢氮化物2级，4种材质渗氮金相组织和硬度对比数据见表3，气体渗氮金相组织如图2图5所示。考虑原材料优选会大幅增加原材料成本压力，因此原材料成分维持不变，试验主要在调质及渗氮工艺方面优化，一是验证不同基体硬度对渗氮性能的影响；二是提高淬火烈度，将渗氮前基体组织调质为1级；三是降低渗氮温度且验证不同渗氮时间的影响；四是提高扩散氮势值且提高换气系数至1次/h，试验改进前后工艺参数及结果见表4。图1 40CrNiMoA气体渗氮齿轮轴2024年 第1期 热加工70热 处 理Heat Treatment表2 4种材质化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnCrNiMoV40CrNiMoA钢标准值0.370.440.170.370.500.800.600.901.251.650.150.25实测值0.410.290.670.741.450.2134CrNiMo6钢标准值0.300.380.400.500.801.301.701.301.700.150.30实测值0.350.280.621.421.380.2042CrMoA钢标准值0.380.450.400.600.900.901.200.150.30实测值0.410.270.650.980.2131CrMoV9钢标准值0.270.340.400.400.702.302.700.150.250.100.20实测值0.300.260.502.380.200.17表3 同炉渗氮对比数据样品材料淬火温度/回火温度/基体硬度HBW基体组织/级渗氮温度/强渗扩散换气率/（次/h）疏松/级氮化物/级脆性/级白亮层厚度/m表面硬度HV1498HV1硬度区间/mm氮势（%）时间/h氮势（%）时间/h40CrNiMoA钢 86058030025106.5502.18700.811120563、564、5600.3234CrNiMo6钢860590300223215694、700、7050.5142CrMoA钢860570300222212665、658、6610.4531CrMoV9钢890600300222217801、810、8050.53 图2 40CrNiMoA钢金相组织 （500）图4 42CrMoA钢金相组织 （500）图3 34CrNiMo6钢金相组织 （500）图5 31CrMoV9钢金相组织 （500）2024年 第1期 热加工71热 处 理Heat Treatment3 高硬度区间试验分析讨论3.1 渗氮表面硬度与调质基体硬度的关系试验40CrNiMoA钢不同调质基体硬度对渗氮表面硬度的影响，相同熔炼号材料，化学成分相同，同炉气体渗氮，渗氮设备为罩式气体渗氮炉，渗氮温度495，扩散氮势KN3.65%，换气率1次/h，改进后样品渗氮后硬度梯度如图6所示。从图6可看出，在相同调质组织及渗氮工艺条件下，随着基体硬度的提高，渗氮后表面硬度及高硬度区间均得到提高。样品3和样品4的表面硬度均达到600HV1以上，而且0.5mm深处达到硬度498HV1的技术要求。渗氮处理时，渗氮温度一般低于调质高温回火温度40左右，渗氮材料调质处理，即淬火加高温回火工艺，高温回火温度升高，增加了合金碳化物形成的机会，碳化物析出程度加大，即降低了铁素体中合金元素含量，调质组织基体中固溶在铁素体中的合金元素的减少，必然会减少合金渗氮物的形成数量且影响形态等，从而导致渗氮层硬度下降2。随着回火温度的提高，基体硬度下降，基体中合金碳化物逐渐聚集长大，相对减小了基体组织中碳化物的弥散度，从而相对减小了氮原子渗入的阻力，渗氮速度相对加快，氮原子渗入的深度也就相对增加3。材料调质硬度的提高，虽然使渗氮深度相对变浅，但却明显改善了渗氮硬度梯度，在以400HV1硬度界限值作为判定条件下，其渗氮后的有效硬化层将变深，渗氮层的高硬度有利于提高工件的耐磨性能。3.2 40CrNiMoA钢渗氮表面硬度与调质基体组织的 关系调质效果好，基体组织细小均匀，合金渗氮物越多，渗氮硬度越高，有利于提高耐磨性和抗疲劳性4。当调质基体组织中存在贝氏体或条状、块状铁素体时，渗氮后硬度相对于完全回火索氏体的低，回火索氏体中的显微态弥散球状碳化物有利于氮原子结合以产生高硬度特征。40CrNiMoA钢基表4 40CrNiMoA钢高硬度区间试验改进前后工艺参数及结果样品编号淬火温度/回火温度/基体硬度HBW基体组织/级渗氮温度/强渗扩散换气率/（次/h）疏松/级氮化物/级脆性/级白亮层/m表面硬度HV1498HV1硬度区间/mm氮势（%）时间/h氮势（%）时间/h改进前样品186058030025106.5502.18700.8111205605640.32改进后样品186056032014956.5503.65701122195805950.41改进后样品286056032014956.5403.65601122185906000.45改进后样品386054534014956.5503.65701122206006150.52改进后样品486054534014956.5403.65601122186106350.54图6 40CrNiMoA钢不同工艺路线对渗氮硬度的影响2024年 第1期 热加工72热 处 理Heat Treatment体组织（回火索氏体，见图7）渗氮后的表面硬度600HV1，高于40CrNiMoA钢基体组织（回火索氏体贝氏体铁素体，见图8）渗氮后的表面硬度560HV1。3.3 渗氮表面硬度与渗氮温度及时间的关系渗氮温度越高，渗氮时间越长，基体中的合金化合物粗化、球化越严重，渗氮后表面硬度也就越低。对于40CrNiMoA钢，材质成分特性导致渗氮后很难获得高表面硬度，因此其渗氮温度需要选择较低温度，采用490500可以获得相对较高的渗氮表面硬度。表面硬度越高，渗氮层越深，其高硬度区间也就越宽。当以400HV1作为硬化层深的界限硬度时，随着渗氮时间加长，虽然渗氮层不断增加，但渗氮物的硬度也在不断下降，过长的渗氮时间反而降低表面高硬度区间。针对基体硬度及渗氮时间对渗氮硬度曲线影响，采用极值试验方案，基体硬度310HBW和350HBW，495渗氮70h和140h，正交试验获得的渗氮硬度曲线如图9所示。图9 40CrNiMoA钢极值试验渗氮硬度曲线3.4 渗氮表面硬度与氮势及换气率的关系由于40CrNiMoA钢强渗氮物形成元素Cr较少，所以其需要相对高的氮势门槛KN值。40CrNiMoA钢与42CrMoA钢、34CrNiMo6钢同炉渗氮，510渗氮扩散采用KN2.18%时，采用GB/T 113542005进行评级，表2试验对应的40CrNiMoA钢与42CrMoA钢、34CrNiMo6钢、31CrMoV9钢的渗氮物级别分别为1级、2级、3级、2级，表面硬度也表现为随着渗氮物级别增加而提高，渗氮物形成数量与强渗氮物元素Cr、Mn、Mo有关，渗氮表面硬度来源于渗氮物的存在。当提高氮势KN值时，40CrNiMoA钢渗层渗氮物数量适当增加，其表面硬度将呈现提高态势。换气率提高，气氛中单位体积的氮原子数量增加，有利于单位面积渗氮面的氮原子吸收，同时有利于渗氮高表面硬度及宽高硬度区间的实现。4 结束语1）当40CrNiMoA钢基体调质硬度340HBW、渗氮温度495、扩散氮势KN3.65%、渗氮时间100h时，渗氮后可以实现表面硬度600635HV1，同时0.52mm深处达到硬度498HV1的技术要求。2）相比42C r M o A钢、34C r N i M o6钢、31CrMoV9钢，40CrNiMoA钢难以形成渗氮物，因此其获得同等渗氮物形态的氮势门槛值高于前3种 材料。3）渗氮表面硬度及高硬度区间随着基体硬度提高而提高，随着氮势提高而提高，渗氮时间过长反而会降低表面硬度及高硬度区间。参考文献：1 杨锴.42CrMo钢工件气体渗氮工艺改进J.热处理，2011（6）：59-62.2 王松明，管其学.31CrMoV9钢系列产品渗氮的研究J.金属加工（热加工），2016（2）：90-92.3 李红革.常用渗氮材料的调质硬度对渗氮层性能的影响J.金属加工（热加工），2005（8）：49-51.4 赵燕平，闫爱淑，郭文荣.35CrMo钢渗前组织对气体渗氮层组织和性能影响的研究：“第十二届全国复合材料学术会议”论文集C.北京：中国复合材料学会，2002：507-510.20230809 图7 回火索氏体组织（500）图8 回火索氏体贝氏体铁素体组织（500）