曲轴气体渗氮后表面硬度偏低的挽救措施

□ 苏以人

武汉职业技术学院 轻工学院 湖北荆州 434000

空压机曲轴材料为38CrMoA1。技术要求：调质后硬度 25～30HRC，调质工艺图见图 1（a），渗氮后表面硬度≥68HRC，渗氮层深度0.45～0.6 mm 2段渗氮工艺图见图1（b）。因种种原因，生产中不时出现曲轴渗氮后表面硬度偏低现象，影响疲劳强度及耐磨性。按企业标准规定，这些曲轴只能作为次品或废品，从而造成很大的经济损失，为此急需寻求使次品或废品曲轴完全达到技术要求的改进措施。

图1 曲轴热处理工艺曲线

1 废品曲轴原因分析

对一批废品曲轴进行检查，基体金相组织良好，渗氮层深度0.46～0.49 mm，表面硬度为58～60HRC。该批曲轴渗氮层已达到技术要求，但表面硬度偏低。根据检查结果可以认为存在以下两种情况：①由于第2阶段渗氮时温度偏高，使形成的弥散氮化物集聚长大；②由于氨进入量控制不当，使表面氮浓度偏低而不能形成足够的氮化物。

表面硬度主要决定于氮、铝、钼、铬等元素形成细小并弥散分布的氮化物，氮化物数量越多、越细小并弥散分布则表面硬度就越高。气体渗氮方法有等温渗氮，2段渗氮，3段渗氮。无论哪种工艺原因造成的表面硬度偏低，均可根据3段渗氮原理，将这些曲轴视为已进行2段渗氮后的产品，再进行一次第3阶段渗氮，使表面氮化物数量增多，且细小弥散分布以提高表面硬度。

2 挽救工艺制定

为了提高该批曲轴表面硬度，决定进行一次重复渗氮，下面对该工艺参数进行分析。

（1）渗氮温度不能过高，否则氮原子扩散速度较快，渗氮层深度超过技术要求，同时氮化物易发生集聚长大，使表面吸氮不足，氮化物形成速度太低，不能形成足够数量的氮化物，从而达不到提高表面硬度的目的。根据理论表明：在一定渗氮温度下随时间延长硬度会出现极值，但500℃或低于500℃渗氮时硬度不会明显下降，因此，选用500℃作为重复渗氮温度。

（2）渗氮时间，根据文献介绍，500℃渗氮时，20h之内随时间增加氮化物析出量增多，硬度上升最高可达1180HV左右。因此，在该温度下渗氮应选用较长时间。但如果时间太长，又可能出现氮化层深度超过技术要求。据文献介绍，38CrMoA1在500～520℃渗氮时可按10 h渗层深度0.1 mm估算，由于随渗氮时间增加，渗速要下降，因而选用15h作为重复渗氮时间。

（3）氨分解率，一般认为氨分解率15%～40%时，活性氮原子多，工件表面吸氮速度最快，因此选用18%～25%为重复渗氮分解率。

（4）阶段升温，为防止曲轴重复渗氮时变形，选用350℃×1h保温后缓慢升温，以减少工件内外温差。

综合上述分析结果，制定重复渗氮工艺如图2所示。

图2 重复渗氮工艺

3 结论

按图2重复渗氮工艺将该批曲轴处理后，表面硬度为69～71HRC，渗氮层深度为0.54～0.57 mm，脆性2～3级，金相组织符合要求。重复渗氮前，为防止工件表面有氧化膜或锈斑等，应用金相砂纸轻轻打磨，再用汽油或酒精认真清洗，否则会影响重复渗氮结果。该工艺经实践检验，效果良好。