30CrMn力学性能及气体氮化工艺性能研究

黄斌　麻少博

摘 要 本文对30CrMn力学性能及气体氮化工艺性能进行了分析。

关键词 30CrMn 力学性能 气体氮化工艺

中图分类号：TG174.44 文献标识码：A

0引言

通过气体渗氮，能够明显的提高机械零件的表面硬度、疲劳强度及耐磨性，同时由于氮化温度低，氮化零件变形小、尺寸稳定，除此之外氮化零件还具有良好的红硬性及耐腐蚀能力，因此气体氮化得到了广泛的应用。但是气体氮化也有生产周期长、生产成本高等缺点。以常用的氮化用钢42CrMo为例，要达到0.3mm的氮化层深，所需要的氮化时间基本在25-30h左右，渗速约为0.008-0.01mm/h。

因此，人们一直在探索新方法，以缩短渗氮生产周期。目前，主要从以下几个方面进行努力：（1）研发新的氮化钢；（2）采用物理或者化学的方法加快渗氮速度；（3）调整渗氮工艺。30CrMn是由国外引进的一种氮化钢，目前国内没有关于这种材料的氮化资料。为此，我们以42CrMo为参照对象，通过大量的工艺试验，对30CrMn的综合力学性能及氮化性能进行了研究，确定了这种材料的氮化工艺，同时为公司创造了可观的经济效益。

1试验设备和材料

试验设备：PDA-8000直读光谱仪、CMT-5305微机控制电子万能试验机、GX71倒置式系统金相显微镜、KREs5/2-90/85/150CN可控气氛罐式气体氮化炉、VKEs5/2-90/85/150CN箱式多用炉、TUKON2500-6显微硬度计等。

试验材料：42CrMo、30CrMn。两种材料的具体成分见表1。

2.1试样的加工

为保证试验的准确性，试样按照与渗氮零件相同工艺流程进行加工：下料→锻造→正火→粗车→调质→精车→气体氮化。

2.2试样的调质

对气体氮化零件来说，即调质硬度对零件最终气体氮化的表面硬度、氮化层深度梯度有着显著地影响，因此，为了对比30CrMn和42CrMo这两种材料的氮化性能，同时排除不同调质硬度对氮化性能的影响，本试验将两者的调质硬度均控制在HRC30-31，且金相组织均为100%的回火索氏体。为防止脱碳，调质加热过程均采用碳势保护，同时淬火参数两者完全相同。30CrMn的调质工艺为：870℃€？h保温+600℃€？h回火；42CrMo的调质工艺为860℃€？h保温+610℃€？h回火。

2.3试样的气体氮化

调质后的试样经过精车，使表面光洁度达到Ra0.8。气体氮化在爱协林KREs5/2-90/85/150CN可控气氛罐式气体氮化炉中进行，该设备采用氢探头准确测量炉内氮势，计算机根据设定的氮势值通过质量流量计控制通入炉内的氨气及氨气裂解气，使裂解氨的流量增大或减小，从而调节炉内的氮势值与设定值一致。30CrMn和42CrMo的气体氮化工艺见表2。

3试验结果及分析

根据GB/T228.1-2010标准检测材料力学性能，可以看出30CrMn的延伸率、端面收缩率基本与42CrMo相近，屈服强度、抗拉强度、冲击吸收功略低于42CrMo。

根据GB/T11354-2005标准检测随炉试样。可以看到，在相同的气体氮化工艺下，30CrMn和42CrMo的白亮层深、脆性级别、氮化物级别基本相同，30CrMn的表面硬度明显高于42CrMo，其氮化层也比42CrMo深。短时渗氮（1#工艺）情况下，虽然两者的氮化层深度比较接近，但30CrMn的表面硬度比42CrMo高出约28 %。2#、3#、4#氮化工艺条件下，30CrMn的表面硬度也比42CrMo高出约30%，氮化层深度前者基本上是后者的1.3倍。同时由表可以看出，42CrMo气体氮化后表面硬度最高可以达到650HV，而30CrMn气体氮化硬度甚至可以达到820HV。

若机械零件要求氮化层深度不小于0.3mm，在相同的调质硬度下，如果选用30CrMn，使用2#氮化工艺即可满足要求，总的工艺时间为13h；如果选用42CrMo，则必须采用3#或者4#工艺，与2#工艺相比，工艺时间分别延长了12h及10h。

综上，与42CrMo相比较，30CrMn具备更加优异的氮化性能。钢中的氮化物形成元素，如Cr、Mo、V、W、Al、Ti、Nb等能在€%Z相中形成微细的氮化物颗粒，对€%Z相起到强化作用，从而提高氮化层硬度及强度。其中，Al、Ti、Nb、V是最有效的强氮化元素，其次是Cr、Mo、V等元素。虽然30CrMn不含Mo元素，但是V和Al的含量却高于42CrMo，这就是30CrMn比42CrMo具有更高的氮化硬度、更快的氮化速度的主要原因。

4结语

（1）与42CrMo相比，30CrMn是更为优异的气体氮化用钢，其渗速快，氮化硬度高，最高可以达到820HV左右。

（2）30CrMn与42CrMo的综合力学性能接近，在大多数情况下，可以用30CrMn代替42CrMo作为气体氮化用钢，能有效提高产品氮化质量、缩短氮化周期，提高设备利用率，增加产能，除此之外，还能够有效的节约能源、减少辅料（氨气等）的消耗。