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3.分析与讨论
气体渗氮的介质是氨气(NH3),气体渗氮的结果主要由氨在炉内的行为来确定,而氨在炉内的行为主要由渗氮温度、渗氮时间及氨的分解率(炉气氮势)所影响。因此,31CrMoV9氮化工艺试验方案主要对渗氮温度、渗氮时间及炉气氮势进行调整,以期开发兼具高质量和高效率的氮化工艺。
工艺方案1氮化有效时间为104h,为三段渗氮法,第一段在515℃渗氮,使表面形成弥散度较大的氮化物及高的氨浓度,第二段升至525℃,并降低氮势,使氮原子快速向内扩散,第三阶段温度仍为525℃,进一步降低氮势,进行退氮。从试验结果看,其层深较深,形成了近似脉状的较粗氮化物,且白亮层较厚,脆性等级也为2级,试样压痕多边均出现细小裂纹。
工艺方案2氮化有效时间为200h,也为三段渗氮法,氮化温度有所降低,第一段时间缩短,增加第三段时间,氮化物细条状,几乎没有白亮层及疏松现象,脆性等级为1级,试样压痕没有任何裂纹及塌边。
试样工艺方案3为两段渗氮法,先在505℃渗氮,氮势介于工艺方案1与工艺方案2之间,第二段升至510℃,氮势也介于工艺方案1与工艺方案2之间。
31CrMoV9合金元素含量较高,特别是钒与氮的亲和力较强,较易形成氮化物,三种工艺方案均存在脉状氮化物,工艺方案1由于强渗与扩散比较大,扩散时间过短,扩散层中有较多的呈脉状的氮化物;工艺方案2及工艺方案3中由于氮势较低,强扩比较小,扩散层中只存在少量的脉状氮化物。
三种工艺方案中以工艺方案1的试样表面硬度最高,工艺方案2及工艺方案3的表面硬度相仿,但工艺方案1氮化温度最高,为515~525℃,其原因主要是由于工艺方案1氮势最高,其表面生成的氮化物最多,而31CrMoV9氮化的表面高硬度不仅和渗氮温度相关,还和合金氮化物的数量和状态相关。
31CrMoV9氮化时产生的表面白亮层超标是其气体氮化的主要问题之一,一般认为白亮层为ε+γ,必须要控制表面的氮化物的含量。工艺方案2得到的白亮层最少,其主要原因是氮化时间足够长,氮势足够低,使试样内外氮浓度达到均匀一致。工艺方案3由于采用相对较低的氮势和长时间扩散,表面形成的白亮层也较浅。工艺方案1则由于氮势高,强渗时间长,且温度高,试样内外氮浓度不均衡,更易生成较厚的白亮层及较差的疏松等级。此外,当白亮层出现明显疏松时,其脆性也会增加,工艺方案2、3的脆性明显优于工艺1。
4.结语
(1)31CrMoV9超深层深氮化通过对强渗与扩散氮势及时间的调整,可以得到较好的氮化效果。
(2)31CrMoV9超深层深氮化在一定温度范围内,其表面硬度与氮化氮势有关,但都可获得较高的表面硬度(800HV左右)。
(3)工艺方案2可以获得很好的质量,且无白亮层,但耗时长,经济性差。工艺方案3既可获得较好的质量,耗时相比工艺2较短,兼顾了质量和效率。目前我公司按工艺方案3已生产31CrMoV9齿圈数百套,质量可靠,工艺稳定。
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