镗轴氮化工艺研究

■ 肖静先

镗轴是落地式铣镗床的关键核心部件，主要起支撑传动和传递转矩的作用，其直接影响着机床的精度和寿命。我公司采用38CrMoAl钢作为镗轴用钢，经过氮化处理达到服役条件，要求镗轴氮化后的表面硬度尽可能高，变形尽可能小。为获得较好的氮化硬度及氮化层深度，分别采用等温氮化、二段氮化及三段氮化工艺进行试验，研究氮化温度及时间等参数对镗轴氮化质量的影响，找出镗轴氮化最优的工艺。

1. 镗轴工件的技术要求

镗轴的工艺要求为：氮化层深度0.5mm，硬度900HV，氮化弯曲（振摆）小于0.2mm。镗轴的工艺路线为：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→半精磨→气体氮化→精磨。

图1为某一型号落地式铣镗床镗轴结构示意。

镗轴材料为38CrMoAl钢，初始组织为锻态，其化学成分如表1所示。

2. 三种氮化工艺试验

随机抽取生产上的镗轴进行试验，并对镗轴进行化学成分分析，确保镗轴的化学成分在国标范围之内。在调质后的镗轴上切取长方体的试块（见图2），并与镗轴同炉氮化，每炉放1件镗轴与3件试块。

三种氮化工艺曲线如图3～图5所示。

采用三种氮化工艺的镗轴硬度结果如表2所示，氮化后的显微组织分别如图6～图8所示。

采用等温氮化工艺时，镗轴表面氮化硬度很高，均值达到了1115HV，完全符合产品工艺要求。但是由于氮化温度较低（500℃），渗层深度为0.48mm，处于工艺要求的下限。镗轴的变形较小，其振摆小于0.10mm。

图1 镗轴结构示意

图2 氮化试块形状

表1 38CrMoAl的化学成分（质量分数） （%）

图6为等温氮化获得的镗轴微观组织。由图6a中可以观察到，镗轴表面分布着白色针状氮化物和均匀细小氮化索氏体。图6b为镗轴的截面组织，可以看出，最表面有一层白色针状氮化物，次表层为氮化索氏体，脉状氮化物为2级。

采用二段氮化工艺时，镗轴表面氮化硬度在1045HV左右，氮化层深度为0.61mm，氮化后镗轴变形小于0.15mm。因此，二段氮化后，镗轴的检测结果都在工艺要求范围内。

图7为镗轴二段氮化后的微观组织。镗轴氮化后的表面组织如图7a所示，主要为均匀细小氮化索氏体。镗轴氮化层的截面组织见图7b，最表面有一层白色针状氮化物，次表层为氮化索氏体，脉状氮化物为2级。

采用三段氮化工艺时，渗层深度高于工艺要求，达到了0.65mm。由于氮化温度较高（550℃），导致镗轴表面氮化硬度偏低，为940HV。另外，镗轴的变形较严重，大于0.20mm，超出了工艺允许的范围（≤0.20mm）。

图8为三段氮化获得的镗轴微观组织。从图8a中可以看到，镗轴表面组织为均匀细小氮化索氏体。图8b为镗轴氮化层的截面组织，最表面有一层白色针状氮化物，次表层为氮化索氏体，脉状氮化物为3级，对于重要零件要求脉状氮化物小于3级。

3. 试验结果分析

通过对镗轴（38CrMoAl钢）进行不同工艺的气体氮化，经检测氮化后的硬度、渗层深度及变形量，观察微观组织形态，得到如下结论：

（1）随着氮化温度的升高，镗轴氮化硬度逐渐降低，渗层深度逐渐增厚，而变形逐渐增大。

（2）采用等温氮化工艺时，由于氮化温度较低（500℃），渗层深度在0.45mm左右，处于工艺要求的下限。采用三段氮化工艺时，由于氮化温度较高（550℃），镗轴表面氮化硬度较低，为940HV，并且镗轴的变形较严重，振摆大于0.20mm，不符合工艺要求。三段氮化后镗轴组织中脉状氮化物为3级。

图3 镗轴等温氮化工艺曲线

图4 镗轴二段氮化工艺曲线

图5 镗轴三段氮化工艺曲线

图6 镗轴等温氮化后的微观组织

图7 镗轴二段氮化后的微观组织

表2 镗轴三种氮化工艺结果

（3）采用二段氮化工艺时，镗轴表面氮化硬度、渗氮层深度及变形程度都在工艺要求的范围内。即第一段温度为500℃，第二段选择为525℃；第一段的时间为20h，第二段的时间为60h，总体氮化时间为80h；第一段氨分解率为18%~25%，第二段氨分解率为25%~35%；二段氮化后镗轴表面组织为均匀细小氮化索氏体；截面组织，最表面有一层白色针状氮化物，次表层为氮化索氏体，脉状氮化物为2级。

图8 镗轴三段氮化后的微观组织