球鐵曲軸常常由于氮化層薄，質(zhì)量不穩(wěn)定，而引起斷裂失效。本課題進行了球鐵曲軸加氧氮化工藝研究。對試樣經(jīng)570℃、580℃，不同氨氣流量和氧加入量氮化4小時后的表面硬度、滲層深度及滲層組織等進行分析，得出加氧氮化可獲得比常規(guī)氣體軟氮化更高的表面硬度和滲層深度。優(yōu)選出適宜球鐵曲軸加氧氮化的工藝為：570℃，氨氣流量2000L/h，氧氣流量10L/h，保溫時間4小時，爐壓35mm水柱；或580℃，氨氣流量1800L/h，氧氣流量10L/h，保溫時間4小時，爐壓35mm水柱，均可獲得氮化層深度超過0.20mm，表面硬度HV0.1600以上的滲層。
曲軸作為發(fā)動機的重要零件，工作時承受著彎曲，扭轉(zhuǎn)和一定的沖擊載荷，主要失效形式為疲勞破壞和磨損。因此發(fā)動機的可靠性和使用壽命很大程度上取決于曲軸的疲勞強度和高耐磨性能。
據(jù)統(tǒng)計，我國中小功率柴油機曲軸8％以上均采用球鐵。實踐表明：曲軸采用軟氮化處理比用中頻或等溫淬火等方法處理的使用壽命大有提高。氣體軟氮化最為顯著的性能特點是在表面形成硬度足夠高的共滲層即組織致密的ε相，具有較高的耐磨性，加之氮元素使工件表面具有潤滑和減摩作用，可使摩擦系數(shù)大幅度降低。且氣體軟氮化工藝方便，共滲溫度低而節(jié)能，環(huán)境污染小，產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點而越來越受到生產(chǎn)廠家的青睞。
但球鐵曲軸軟氮化時，由于高碳、高硅會阻止氮的滲入和擴散，使氮化速度和氮化層深度都明顯低于鍛鋼氮化。且常出現(xiàn)滲層薄，表面硬度低，氮化層不均勻等現(xiàn)象。C.Dawers等人研究低壓氧氮碳共滲處理時指出：少量氧的加入可提高氮化氣氛的氮勢，使化合物層的深度增加，起到顯著的催滲作用。
本研究針對QA4102曲軸探索在一定的氮化溫度和時間下，通氨量、加氧量對曲軸軟氮化硬度和滲層深度等性能的影響，提出適宜QA4102球鐵曲軸的加氧氮化工藝。
1 實驗材料與方法
本課題所用試樣材料由石家莊吉發(fā)曲軸廠提供，QA4102球鐵曲軸所用球鐵的牌號為QT700-2。化學(xué)成分控制范圍如表1所示：
氮化前的預(yù)處理工藝采用正火+高溫回火，圖1所示。
采用氨氣(NH3)和氧氣(O2)作為爐氛，分別選取570、580℃氮化4小時，研究不同加氧量和通氨量對試樣表面硬度和滲層深度的影響，氮化工藝圖2所示。
氮化后試樣的氮化層深度測定采用化學(xué)浸蝕法和顯微硬度法測定，為清楚顯示球鐵滲層組織，采用亞硒酸+鹽酸+酒精溶液作浸蝕劑；氮化層硬度采用71型顯微硬度計測量，并進行氮化層脆性測量和金相組織的攝照。
加氧氮化原理與特性
氣體氮化存在著下列幾個基本的反應(yīng)：
NH3=[N]+3/2H2 (1)
2NH3=2[N]αFe+3H2 (2)
2NH3+8Fe=γ-2Fe4N+3H2 (3)
NH3+3Fe=ε- Fe3+3/2H2 (4)
NH3+4Fe=ε- 2Fe2N+3H2 (5)
[N]αFe表示固溶于αFe中的氮原子，反應(yīng)式(2)既是終止過程，也是(3)—(5)式的中間過程。氨分解出的活性氮原子和氫原子，如沒有被鐵吸收則會瞬間就可轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的氮分子和氫分子，過程如下：
2NH3→2[N]+6[H]→N2+3H2 (6)
而氮化過程就是利用剛分解出來而未結(jié)合成分子的活性原子態(tài)的氮滲人工件中，以達(dá)到氮化的目的。從(1)式導(dǎo)出：
N＝K·PNH3·PH2-3/2=KPNH3/PH2 (7)
式中：N—氮化劑的活度，即氮勢。
PNH3—混合氣中氨的分壓。
PH2—混合氣中氫的分壓。
K—活度系數(shù)。
在氮化氣氛中，氮化劑的氮化能力取決于氮化劑的活度；活度越高，則其氮化能力越強。由(7)式可知，提高氮勢的方法有提高氨分壓和降低氫分壓。氫分壓越低，氮化劑的氮勢越高。在一定溫度和一定量氨流量下，氨的分解量是一定量，所以氨分壓和氫分壓也是一定值，由于無法從工藝角度來提高PNH3，故唯一的辦法就是設(shè)法降低PH2值。
氫和氧的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮和氧的親和力，因此當(dāng)?shù)瘎┲屑尤肷倭康难鯕鈺r，氫首先與氧結(jié)合，從而達(dá)到降低氣氛中氫分壓，減輕氫對氮原子滲入的阻礙，提高氣氛氮勢的作用，使氮化速度加快。在氣氛中加入適量的氧還起到提高氮原子活性和促進晶界滲透作用。此外，氧還可加速表面脫氫作用，使表面氫含量顯著下降，減少了白亮層的脆性。
實踐表明，加入少量氧的軟氮化處理，一般在0.5％～1％，利用氧的催滲作用進行氧氨軟氮化，得到氮化表層化合物仍是以Fe3N，F(xiàn)e4N為主的氮化物相，氮化層中還存在Fe3O4，沒有Fe2N脆性相。因此，氧氨軟氮化處理的零件比一般氣體軟氮化具有更高的表面硬度，化合物層厚度顯著增加，耐磨性能和疲勞陛能均較好等特點。
3 試驗結(jié)果及分析
3.1通氨量對滲層性能的影響
試樣在通氧量為10L/h條件下，分別經(jīng)570℃、580℃進行不同通氨量的軟氮化處理4小時，滲層性能分析表2所示，表面硬度和滲層深度與通氨量的關(guān)系圖3、圖4所示。
570℃時，滲層硬度和滲層深度都隨通氨量增加而變大，當(dāng)通氨量為2000L/h時，滲層硬度和深度都達(dá)到最大值即：硬度HV0.1606,深度0.26mm。但是當(dāng)通氨量繼續(xù)增加，二者都呈現(xiàn)下降趨勢。在580℃下，滲層硬度和氮化層厚度在通氨量為1800L/h時達(dá)到最大值，硬度Hv0.1681，深度0.28mm。增加氨量，二者呈下降趨勢，且下降趨勢超過570℃的變化。
這與不同溫度下的氨分解率有關(guān)。每一溫度下都有相對應(yīng)的吸氮能力最佳的分解率。通常鋼鐵件在氮化溫度范圍內(nèi)，吸氮能力最佳的氨分解率為35％左右。增加通氨量，氨分解速度加快，當(dāng)氨的分解以增加氮勢占主導(dǎo)時，氮化速度增加，表面硬度和滲層就會增大；當(dāng)通氨量增加，溫度越高，氨分解速度加快，導(dǎo)致氣氛體積增加加快，凡而會降低氮勢，不利于表面對活性氮原子的吸收，會促使氮原子形成氮分子，無法被表面吸附滲入，導(dǎo)致滲層深度和硬度的下降。
故在一定溫度和爐壓下，存在一適宜的通氨量。球鐵曲軸若570℃氮化，通氨量在2000L/h較適合；580℃氮化通氨量應(yīng)降低為1800L/h為宜。
3.2通氧量對滲層性能的影響
試樣在通氨量為1800L/h，2000L/h條件下，分別經(jīng)570℃、580℃進行不同通氧量的軟氮化處理4小時，滲層性能表3所示，表面硬度與通氧量的關(guān)系圖5所示。
由表可見，加入少量的氧滲層深度較一般氣體軟氮化有加較大的增加，可見氧對球鐵催滲起到顯著的作用。570℃，通氨量為1800—2000L/h，加氧量占0.5％左右時，表面硬度和滲層深度可達(dá)到較高值，其中通氨量為2000 L/h,通氧量10L/h(0.5％)，滲層深度和表面硬度均為最大。溫度為580℃，通氨量為1800 L/h，通氧量10L/h(0.56％)，可獲得高的滲層硬度Hv0.1681，滲層0.28mm，化合物層為10.90μm。滲層金相組織圖6所示。可見加入氧提高了氣氛的氮化能力，即提高氮原子的活性。氮化能力增強。當(dāng)氧加入量為15 L/h時，表面硬度都出現(xiàn)不同程度的下降，這可能是滲層出現(xiàn)疏松等缺陷，導(dǎo)致滲層變脆有關(guān)，尚有待于進一步研究。
綜上，球鐵加氧軟氮化，適宜的通氧量為0.5％左右。
4 結(jié)語
通過對球鐵試樣在570℃、580℃不同通氨量和加氧量氮化4小時后進行表面硬度及滲層深度的測量及金相組織觀察，得出結(jié)論如下：
1)球鐵材料的高碳、高硅對氣體軟氮化氮的滲入產(chǎn)生阻礙作用，且高硅量還提高了共析溫度，故球鐵曲軸軟氮化適宜采用較高的氮化溫度。兼顧到氮化后為減小冷卻變形，氮化溫度宜采用580℃。
2)加入少量氧可提高氣氛的氮化能力，起到顯著的催滲作用。特別是滲層深度及化合物層厚度顯著增加。球鐵軟氮化加氧量控制在0.5％左右，催滲效果最佳。
3)通氨量與氮化溫度有密切關(guān)系。570℃，通氨量為2000L/h氮化效果較佳；580℃時，通氨量為1800L/h氮化效果最佳。
4)適宜球鐵曲軸的加氧氮化工藝為：570℃，通氨量為2000L/h，加氧量為10L/h(0.5％),時間4h；或580℃，通氨量為1800 L/h，加氧量10L/h(0.56％)。均可獲得滲層深度超過0.20mm，表面硬度Hv0.1600以上的滲層。
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