某大修曲轴渗氮工艺研究

2022-06-21孙静茹苏程曾省建

金属加工(热加工) 2022年5期

孙静茹，苏程，曾省建

中车资阳机车有限公司资阳曲轴分公司四川资阳 641301

1 序言

曲轴是发动机对外输出动力的核心部件，在运动过程中承受着复杂的扭转和弯曲应力，因而对曲轴材料、尺寸精度、表面粗糙度、热处理和表面强化等要求十分严格。我公司在热处理生产时，有一支经过渗氮处理的34CrNi3MoA钢曲轴因轴颈辗瓦严重而需要修复[1]，其弯曲变形较严重，故修磨轴颈时的磨削量也有限制，会产生偏磨，轴颈上可能存在局部原有渗氮层未完全去除的现象。

本文主要通过工艺试验，研究曲轴在局部残留渗氮层的情况下，经过重新渗氮后其表面硬度均匀性、渗氮层深度、渗氮组织及硬度是否能满足客户要求，并确定出适合曲轴的二次渗氮工艺参数。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

采用经过调质处理的34CrNi3MoA钢曲轴试棒来制作渗氮试验用试样，其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 34CrNi3MoA钢化学成分（质量分数）（%）

表2 34CrNi3MoA钢调质处理力学性能

2.2 试验方法及工艺

根据本工艺研究的目的，需模拟表面残留不同渗氮层深度的试样在经过二次渗氮后渗氮层深度及组织的变化。因待修复曲轴要求修复完成后曲轴成品渗氮层深度为0.45mm，再加上磨削量0.15mm左右，故进行模拟试验的试样渗氮层深度要求至少为0.60mm。根据试验方案要求，需制备6组试样来模拟一次渗碳，以及在表面渗氮层深度分别加工掉0mm、0.15mm、0.30mm、0.45mm、0.60mm后进行二次渗氮，然后检测渗氮层深度、表面硬度。每组试样的具体要求及渗氮工艺见表3。

表3 渗氮试样要求及渗氮工艺

曲轴渗氮采用立式吊挂在渗氮炉中进行渗氮处理，为更准确模拟曲轴渗氮过程，每组试样分别准备上、中、下三个试样一起随曲轴进炉进行渗氮处理，故工艺准备18个尺寸为φ20mm×10mm试样进行渗氮。

为尽量使试验的结果与曲轴修复的效果保持一致，在进行渗氮试验时，尽可能采用与修复曲轴相近的渗氮工艺参数。具体工艺参数：渗氮温度为（530±10）℃；渗氮时间为60～80h。

2.3 试样的制备

根据试验方案要求，加工了18个渗氮试样进行渗氮试验研究，其具体尺寸及要求如图1所示。

图1 试样尺寸及要求

3 试验结果与讨论

3.1 试验结果

在所有试样制备完成后，按工艺要求分别进行了一次渗氮和加工后二次渗氮，两次渗氮完成后对渗氮层深度、表面硬度、渗氮组织及氮化物进行了检测。采用维氏硬度计，使用0.3kgf（2.94N）的试验力对试样进行了表面硬度及内部阶梯硬度检测[2]。因不同试样调质硬度也不同，造成基体硬度有一定的差异，故采用平均值法算出18个试样的基体平均硬度为335HV，根据GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》中用硬度法测定渗氮层深度的规定，从试样表面测至比基体维氏硬度高50HV处的垂直距离即为渗氮层深度，以基体平均硬度385HV为基准，通过硬度梯度检测计算出了试样的渗氮层深度，具体数据见表4。

3.2 渗氮层深度

从表4可明显看出，进行过二次渗氮的4～15号试样的渗氮层深度均高于只进行过一次渗氮的1～3号试样。其中4～6号试样经一次渗氮后，渗氮面加工量为0.15mm，是所有需二次渗氮试样中加工量最小的一组，其3个试样的平均渗氮层深度为1.10mm，其深度高于只进行过一次渗氮的试样平均值0.2mm左右。未对渗氮层进行加工的16～18号试样，在二次渗氮后其平均渗氮层深度为1.23mm左右，是所有试样中渗氮层深度最深的一组。

表4 试样渗氮后渗氮层深度及表面硬度

渗氮过程中影响渗氮层深度的因素主要有渗氮温度、渗氮时间、氮势等[3]。渗氮温度越高、渗氮保温时间越长，则渗氮层深度越深。对于需进行修复的产品，其表面残留的渗氮层在进行二次渗氮后，其渗氮深度可能会高于其他无残留渗氮层的部位，但均满足工艺要求0.6mm的渗氮层深度。

3.3 渗氮层组织

对上述试样进行了渗氮组织检测，其组织均为回火索氏体，存在少量的脉状氮化物，其部分试样金相组织如图2所示。

图2 渗氮层金相组织

所有试样的金相组织除了个别试样存在少量脉状氮化物外，均无异常，未出现白亮层。氮化物主要是由于基体材料在调质淬火时加热温度过高，晶粒长大、粗化和工件表面氧化脱碳及渗氮温度过高、液NH3含水过高等因素影响下形成的。本试验使用的34CrNi3MoA钢试样，取自于进行过调质处理的曲轴试棒的R/2处，其组织为回火索氏体，晶粒度在7级以上，且无氧化脱碳现象存在，故不会造成渗氮过程中氮化物的形成，试验试样所产生的少量脉状氮化物可能与渗氮设备及渗氮过程的控制有关。