為了提高滲氮件的承載能力和挖掘滲氮的強化潛力，開發(fā)了深層滲氮硬化技術(shù)。人們過去認為滲氮層很淺類似于“蛋殼”，有很多誤解，經(jīng)過多年來滲氮件的應(yīng)用和滲氮技術(shù)的開發(fā)，深層滲氮、新滲氮鋼和新滲氮方法的不斷出現(xiàn)，使?jié)B氮工藝在很多場合可以與滲碳工藝相媲美，而且正在發(fā)揮著獨特的優(yōu)勢。
1.深層滲氮硬化技術(shù)
深層滲氮和深層硬化相結(jié)合，形成了深層滲氮硬化的技術(shù)方案，不僅把常規(guī)滲層深小于0.4mm提高到0.6~1.0mm，同時實現(xiàn)滲氮表面下0.3~0.5mm處硬度提高到500HV以上，硬度梯度平緩。解決的途徑是采用特殊工藝強化滲氮次表層和提高滲氮基體硬度(強度)。
為此，研發(fā)了兩種時效硬化鋼：20CrNi3Mn2Al和20Cr3MnMoV(見表1)，開發(fā)了深層滲氮硬化工藝。提出了深層滲氮硬化技術(shù)的三個相關(guān)條件：滲氮層深0.6mm以上，滲氮表面下0.4mm處硬度大于600HV和滲氮基體硬度大于400~450HV(42~46HRC)。
(1)時效硬化鋼
采用時效硬化鋼作為滲氮基體材料，取代常規(guī)的調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，可以實現(xiàn)不需油淬調(diào)質(zhì)，采用空冷固溶處理代替調(diào)質(zhì)淬火，滲氮和時效兩個工序合一，在滲氮過程中，同時實現(xiàn)滲氮層硬化和基體時效硬化，滲氮表面硬度大于900HV，滲氮基體硬度大于400HV(42HRC)。簡化工藝，顯著提高了滲氮基體硬度。
表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)
(2)深層滲氮硬化
為了實現(xiàn)滲氮層深層硬化，必須將時效硬化鋼滲氮硬化和時效硬化兩種機制正確地混合，改變恒溫滲氮為變溫滲氮，滲氮前期以滲氮固溶強化和彌散硬化為主，后期為滲氮硬化和時效硬化疊加。采用離子滲氮工藝，可以充分利用離子轟擊和陰極濺射造成的滲氮表面活化與不斷出現(xiàn)的大量晶體缺陷，有效的加速氮原子的擴散，加快滲氮速度。
以時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al為例，與滲氮鋼38CrMoAl普通滲氮和滲碳鋼20CrMnTi常規(guī)氣體滲碳淬火的硬化進行對比，如附圖所示，其中20CrNi3Mn2Al鋼經(jīng)過870℃×3h空冷固溶處理+520~540℃×80h深層離子滲氮，38CrMoAl鋼經(jīng)過520~530℃×50h離子滲氮，20CrMnTi鋼經(jīng)過930℃滲碳+850℃油淬。三種材料不同工藝處理結(jié)果可以看出，時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al深層離子滲氮表面硬度高，表層強化效果顯著，基體硬度高，與滲碳鋼相當(dāng)，高于38CrMoAl滲氮鋼。表明時效硬化鋼滲氮后有很高的承載能力。
2.齒輪受力分析
齒輪是在接觸疲勞和彎曲疲勞的復(fù)雜應(yīng)力條件下工作，滲氮層次表層承受最大的剪切應(yīng)力，滲氮層剝落和疲勞破壞往往發(fā)生在次表層，因此充分強化滲氮次表層是提高齒輪承載能力的關(guān)鍵。
大量國內(nèi)外試驗研究結(jié)果證明，隨著滲氮硬化層層深增加和齒輪心部硬度提高，齒輪接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度隨之提高。深層離子滲氮硬化技術(shù)，采用時效硬化鋼和深層滲氮硬化，對滲氮齒輪滿足重載復(fù)雜應(yīng)力條件工作是重要保證。
試驗表明，20CrNi3Mn2Al鋼深層離子滲氮后，滲氮表面下0.4mm處硬度大于600HV，滲氮基體硬度為400HV(42HRC)以上。如表2所示。
表2 20CrNi3Mn2Al鋼深層離子滲氮后的硬度和層深
3. 應(yīng)用展望
推薦20CrNi3Mn2Al鋼作為時效硬化滲氮齒輪鋼，采用深層滲氮硬化技術(shù)可滿足滲氮齒輪工作條件的更高要求。
普通調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼42CrMo、35CrMoV、25Cr2MoV等制造滲氮齒輪，基體硬度低(28~38HRC)，次表層硬度低(表面下0.4mm處不超過400~500HV)。時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al鋼固溶處理后硬度為30~36HRC，深層離子滲氮后，表面硬度高于900HV，滲氮表面下0.4mm處硬度為600~650HV。基體硬度為40~46HRC，滲層深度為0.7mm以上。
展望用時效硬化鋼制造滲氮齒輪，可以預(yù)期有廣闊應(yīng)用前景。現(xiàn)有調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼制造的滲氮齒輪，模數(shù)不超過10mm，由于時效硬化鋼采用了深層滲氮硬化技術(shù)，大大強化了滲氮層和基體，明顯提高了齒輪的承載能力。可以期望時效硬化鋼滲氮齒輪模數(shù)會超過10mm，可用來制造重負載高性能齒輪。
1.深層滲氮硬化技術(shù)
深層滲氮和深層硬化相結(jié)合，形成了深層滲氮硬化的技術(shù)方案，不僅把常規(guī)滲層深小于0.4mm提高到0.6~1.0mm，同時實現(xiàn)滲氮表面下0.3~0.5mm處硬度提高到500HV以上，硬度梯度平緩。解決的途徑是采用特殊工藝強化滲氮次表層和提高滲氮基體硬度(強度)。
為此，研發(fā)了兩種時效硬化鋼：20CrNi3Mn2Al和20Cr3MnMoV(見表1)，開發(fā)了深層滲氮硬化工藝。提出了深層滲氮硬化技術(shù)的三個相關(guān)條件：滲氮層深0.6mm以上，滲氮表面下0.4mm處硬度大于600HV和滲氮基體硬度大于400~450HV(42~46HRC)。
(1)時效硬化鋼
采用時效硬化鋼作為滲氮基體材料，取代常規(guī)的調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，可以實現(xiàn)不需油淬調(diào)質(zhì)，采用空冷固溶處理代替調(diào)質(zhì)淬火，滲氮和時效兩個工序合一，在滲氮過程中，同時實現(xiàn)滲氮層硬化和基體時效硬化，滲氮表面硬度大于900HV，滲氮基體硬度大于400HV(42HRC)。簡化工藝，顯著提高了滲氮基體硬度。
表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)
(2)深層滲氮硬化
為了實現(xiàn)滲氮層深層硬化，必須將時效硬化鋼滲氮硬化和時效硬化兩種機制正確地混合，改變恒溫滲氮為變溫滲氮，滲氮前期以滲氮固溶強化和彌散硬化為主，后期為滲氮硬化和時效硬化疊加。采用離子滲氮工藝，可以充分利用離子轟擊和陰極濺射造成的滲氮表面活化與不斷出現(xiàn)的大量晶體缺陷，有效的加速氮原子的擴散，加快滲氮速度。
以時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al為例，與滲氮鋼38CrMoAl普通滲氮和滲碳鋼20CrMnTi常規(guī)氣體滲碳淬火的硬化進行對比，如附圖所示，其中20CrNi3Mn2Al鋼經(jīng)過870℃×3h空冷固溶處理+520~540℃×80h深層離子滲氮，38CrMoAl鋼經(jīng)過520~530℃×50h離子滲氮，20CrMnTi鋼經(jīng)過930℃滲碳+850℃油淬。三種材料不同工藝處理結(jié)果可以看出，時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al深層離子滲氮表面硬度高，表層強化效果顯著，基體硬度高，與滲碳鋼相當(dāng)，高于38CrMoAl滲氮鋼。表明時效硬化鋼滲氮后有很高的承載能力。
2.齒輪受力分析
齒輪是在接觸疲勞和彎曲疲勞的復(fù)雜應(yīng)力條件下工作，滲氮層次表層承受最大的剪切應(yīng)力，滲氮層剝落和疲勞破壞往往發(fā)生在次表層，因此充分強化滲氮次表層是提高齒輪承載能力的關(guān)鍵。
大量國內(nèi)外試驗研究結(jié)果證明，隨著滲氮硬化層層深增加和齒輪心部硬度提高，齒輪接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度隨之提高。深層離子滲氮硬化技術(shù)，采用時效硬化鋼和深層滲氮硬化，對滲氮齒輪滿足重載復(fù)雜應(yīng)力條件工作是重要保證。
試驗表明，20CrNi3Mn2Al鋼深層離子滲氮后，滲氮表面下0.4mm處硬度大于600HV，滲氮基體硬度為400HV(42HRC)以上。如表2所示。
表2 20CrNi3Mn2Al鋼深層離子滲氮后的硬度和層深
3. 應(yīng)用展望
推薦20CrNi3Mn2Al鋼作為時效硬化滲氮齒輪鋼，采用深層滲氮硬化技術(shù)可滿足滲氮齒輪工作條件的更高要求。
普通調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼42CrMo、35CrMoV、25Cr2MoV等制造滲氮齒輪，基體硬度低(28~38HRC)，次表層硬度低(表面下0.4mm處不超過400~500HV)。時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al鋼固溶處理后硬度為30~36HRC，深層離子滲氮后，表面硬度高于900HV，滲氮表面下0.4mm處硬度為600~650HV。基體硬度為40~46HRC，滲層深度為0.7mm以上。
展望用時效硬化鋼制造滲氮齒輪，可以預(yù)期有廣闊應(yīng)用前景。現(xiàn)有調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼制造的滲氮齒輪，模數(shù)不超過10mm，由于時效硬化鋼采用了深層滲氮硬化技術(shù)，大大強化了滲氮層和基體，明顯提高了齒輪的承載能力。可以期望時效硬化鋼滲氮齒輪模數(shù)會超過10mm，可用來制造重負載高性能齒輪。