球铁曲轴加氧氮化工艺研究

摘要：球铁曲轴常常由于氮化层薄，质量不稳定，而引起断裂失效。本课题进行了球铁曲轴加氧氮化工艺研究。对试样经570℃、580℃，不同氨气流量和氧加入量氮化4小时后的表面硬度、渗层深度及渗层组织等进行分析，得出加氧氮化可获得比常规气体软氮化更高的表面硬度和渗层深度。优选出适宜球铁曲轴加氧氮化的工艺为：570℃，氨气流量2000L/h，氧气流量10L/h，保温时间4小时，炉压35mm水柱；或580℃，氨气流量1800L/h，氧气流量10L/h，保温时间4小时，炉压35mm水柱，均可获得氮化层深度超过0.20mm，表面硬度HV_0.1600以上的渗层。

关键词：球铁曲轴　加氧氮化　表面硬度　氮化层深度

曲轴作为发动机的重要零件，工作时承受着弯曲，扭转和一定的冲击载荷，主要失效形式为疲劳破坏和磨损。因此发动机的可靠性和使用寿命很大程度上取决于曲轴的疲劳强度和高耐磨性能。

据统计，我国中小功率柴油机曲轴8％以上均采用球铁。实践表明：曲轴采用软氮化处理比用中频或等温淬火等方法处理的使用寿命大有提高。气体软氮化最为显著的性能特点是在表面形成硬度足够高的共渗层即组织致密的ε相，具有较高的耐磨性，加之氮元素使工件表面具有润滑和减摩作用，可使摩擦系数大幅度降低。且气体软氮化工艺方便，共渗温度低而节能，环境污染小，产品质量好等优点而越来越受到生产厂家的青睐。

但球铁曲轴软氮化时，由于高碳、高硅会阻止氮的渗入和扩散，使氮化速度和氮化层深度都明显低于锻钢氮化。且常出现渗层薄，表面硬度低，氮化层不均匀等现象。C.Dawers等人研究低压氧氮碳共渗处理时指出：少量氧的加入可提高氮化气氛的氮势，使化合物层的深度增加，起到显著的催渗作用。

本研究针对QA4102曲轴探索在一定的氮化温度和时间下，通氨量、加氧量对曲轴软氮化硬度和渗层深度等性能的影响，提出适宜QA4102球铁曲轴的加氧氮化工艺。

1　实验材料与方法

本课题所用试样材料由石家庄吉发曲轴厂提供，QA4102球铁曲轴所用球铁的牌号为QT700-2。化学成分控制范围如表1所示：

 

氮化前的预处理工艺采用正火+高温回火，图1所示。

 

采用氨气(NH₃)和氧气(O₂)作为炉氛，分别选取570、580℃氮化4小时，研究不同加氧量和通氨量对试样表面硬度和渗层深度的影响，氮化工艺图2所示。

 

氮化后试样的氮化层深度测定采用化学浸蚀法和显微硬度法测定，为清楚显示球铁渗层组织，采用亚硒酸+盐酸+酒精溶液作浸蚀剂；氮化层硬度采用71型显微硬度计测量，并进行氮化层脆性测量和金相组织的摄照。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 30pt">2　加氧氮化原理与特性

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">气体氮化存在着下列几个基本的反应：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">NH₃=[N]+3/2H₂                 (1)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">2NH₃=2[N]_αFe+3H₂             (2)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">2NH₃+8Fe=γ-2Fe₄N+3H₂  (3)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">NH₃+3Fe=ε- Fe₃+3/2H₂  (4)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">NH₃+4Fe=ε- 2Fe₂N+3H₂  (5)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">[N]_αFe表示固溶于αFe中的氮原子，反应式(2)既是终止过程，也是(3)—(5)式的中间过程。氨分解出的活性氮原子和氢原子，如没有被铁吸收则会瞬间就可转变成为稳定的氮分子和氢分子，过程如下：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">2NH₃→2[N]+6[H]→N₂+3H₂  (6)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">而氮化过程就是利用刚分解出来而未结合成分子的活性原子态的氮渗人工件中，以达到氮化的目的。从(1)式导出：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">N＝K·P_NH3·P_H2^-3/2=KP_NH3/P_H2  (7)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">式中：N—氮化剂的活度，即氮势。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">P_NH3—混合气中氨的分压。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">P_H2—混合气中氢的分压。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">K—活度系数。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">在氮化气氛中，氮化剂的氮化能力取决于氮化剂的活度；活度越高，则其氮化能力越强。由(7)式可知，提高氮势的方法有提高氨分压和降低氢分压。氢分压越低，氮化剂的氮势越高。在一定温度和一定量氨流量下，氨的分解量是一定量，所以氨分压和氢分压也是一定值，由于无法从工艺角度来提高P_NH3，故唯一的办法就是设法降低P_H2值。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">氢和氧的亲和力远远大于氮和氧的亲和力，因此当氮化剂中加入少量的氧气时，氢首先与氧结合，从而达到降低气氛中氢分压，减轻氢对氮原子渗入的阻碍，提高气氛氮势的作用，使氮化速度加快。在气氛中加入适量的氧还起到提高氮原子活性和促进晶界渗透作用。此外，氧还可加速表面脱氢作用，使表面氢含量显著下降，减少了白亮层的脆性。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">实践表明，加入少量氧的软氮化处理，一般在0.5％～1％，利用氧的催渗作用进行氧氨软氮化，得到氮化表层化合物仍是以Fe₃N，Fe₄N为主的氮化物相，氮化层中还存在Fe₃O₄，没有Fe₂N脆性相。因此，氧氨软氮化处理的零件比一般气体软氮化具有更高的表面硬度，化合物层厚度显著增加，耐磨性能和疲劳陛能均较好等特点。 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt">

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">3　试验结果及分析

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">3.1通氨量对渗层性能的影响

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">试样在通氧量为10L/h条件下，分别经570℃、580℃进行不同通氨量的软氮化处理4小时，渗层性能分析表2所示，表面硬度和渗层深度与通氨量的关系图3、图4所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">570℃时，渗层硬度和渗层深度都随通氨量增加而变大，当通氨量为2000L/h时，渗层硬度和深度都达到最大值即：硬度HV_0.1606,深度0.26mm。但是当通氨量继续增加，二者都呈现下降趋势。在580℃下，渗层硬度和氮化层厚度在通氨量为1800L/h时达到最大值，硬度Hv_0.1681，深度0.28mm。增加氨量，二者呈下降趋势，且下降趋势超过570℃的变化。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">这与不同温度下的氨分解率有关。每一温度下都有相对应的吸氮能力最佳的分解率。通常钢铁件在氮化温度范围内，吸氮能力最佳的氨分解率为35％左右。增加通氨量，氨分解速度加快，当氨的分解以增加氮势占主导时，氮化速度增加，表面硬度和渗层就会增大；当通氨量增加，温度越高，氨分解速度加快，导致气氛体积增加加快，凡而会降低氮势，不利于表面对活性氮原子的吸收，会促使氮原子形成氮分子，无法被表面吸附渗入，导致渗层深度和硬度的下降。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">故在一定温度和炉压下，存在一适宜的通氨量。球铁曲轴若570℃氮化，通氨量在2000L/h较适合；580℃氮化通氨量应降低为1800L/h为宜。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">3.2通氧量对渗层性能的影响

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt" align=left>试样在通氨量为1800L/h，2000L/h条件下，分别经570℃、580℃进行不同通氧量的软氮化处理4小时，渗层性能表3所示，表面硬度与通氧量的关系图5所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">由表可见，加入少量的氧渗层深度较一般气体软氮化有加较大的增加，可见氧对球铁催渗起到显著的作用。570℃，通氨量为1800—2000L/h，加氧量占0.5％左右时，表面硬度和渗层深度可达到较高值，其中通氨量为2000 L/h,通氧量10L/h(0.5％)，渗层深度和表面硬度均为最大。温度为580℃，通氨量为1800 L/h，通氧量10L/h(0.56％)，可获得高的渗层硬度Hv_0.1681，渗层0.28mm，化合物层为10.90μm。渗层金相组织图6所示。可见加入氧提高了气氛的氮化能力，即提高氮原子的活性。氮化能力增强。当氧加入量为15 L/h时，表面硬度都出现不同程度的下降，这可能是渗层出现疏松等缺陷，导致渗层变脆有关，尚有待于进一步研究。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">综上，球铁加氧软氮化，适宜的通氧量为0.5％左右。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">4　结语

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">通过对球铁试样在570℃、580℃不同通氨量和加氧量氮化4小时后进行表面硬度及渗层深度的测量及金相组织观察，得出结论如下：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">1)球铁材料的高碳、高硅对气体软氮化氮的渗入产生阻碍作用，且高硅量还提高了共析温度，故球铁曲轴软氮化适宜采用较高的氮化温度。兼顾到氮化后为减小冷却变形，氮化温度宜采用580℃。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">2)加入少量氧可提高气氛的氮化能力，起到显著的催渗作用。特别是渗层深度及化合物层厚度显著增加。球铁软氮化加氧量控制在0.5％左右，催渗效果最佳。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">3)通氨量与氮化温度有密切关系。570℃，通氨量为2000L/h氮化效果较佳；580℃时，通氨量为1800L/h氮化效果最佳。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">4)适宜球铁曲轴的加氧氮化工艺为：570℃，通氨量为2000L/h，加氧量为10L/h(0.5％),时间4h；或580℃，通氨量为1800 L/h，加氧量10L/h(0.56％)。均可获得渗层深度超过0.20mm，表面硬度Hv_0.1600以上的渗层。