汽車驅(qū)動環(huán)稀土催滲強(qiáng)化研究

張思思

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

驅(qū)動環(huán)為汽車重要的零部件，主要用于汽車方向的間隙調(diào)節(jié),工作狀態(tài)十分惡劣，兩端面常年處于磨損狀態(tài)。為提高其耐磨性，通常采用滲碳淬火強(qiáng)化處理。由于滲碳后工件內(nèi)外直徑及工作端面尺寸變形大，尺寸精度降低，使用壽命減少，無法滿足廠商的技術(shù)要求。離子滲氮表面硬度高、變形小、滲氮后工件可直接用于生產(chǎn)，減少處理工時等優(yōu)點(diǎn)。添加自制LaCl3催滲劑，尋找最佳工藝，獲得所需的表面硬度及滲氮層深是本文研究重點(diǎn)。

1 試驗(yàn)和試驗(yàn)設(shè)備

驅(qū)動環(huán)材料為20CrMnTi鋼，在汽車制造及工程機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示[1]。20CrMnTi為可滲氮鋼，用作滲氮處理的比較多[2]，經(jīng)鍛造、正火、粗加工、正火、精加工成外徑為Φ43mm，內(nèi)外徑尺寸相差13mm厚度為3mm的驅(qū)動環(huán)樣。

表1 20CrMnTi化學(xué)成分(%)

表2 20CrMnTi力學(xué)性能

驅(qū)動環(huán)采用專用掛具裝爐，進(jìn)行離子滲氮及稀土催滲強(qiáng)化處理。離子滲氮技術(shù)要求：表面硬度≥725HV0.1，滲層深度0.25～0.45mm。

采用LDMC75-A脈沖電源在LD-75Z型離子滲氮爐內(nèi)進(jìn)行滲氮試驗(yàn)，ZDZ-2K型低真空計(jì)計(jì)量真空度。以液氨為滲氮介質(zhì)，將LaCl3按一定的比例溶入甲醇溶劑中配制成稀土催滲劑，依靠離子滲氮爐內(nèi)負(fù)壓，通過氨氣導(dǎo)管將其引入到爐內(nèi)，爐內(nèi)稀土催滲劑占氨氣的比率為0.1%～0.5%。

采用LEICA DM6000M金相顯微鏡、OLYMPUS GX71型金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察與拍照；AAV-502型顯微硬度計(jì)測定樣品表面硬度及由樣品邊緣至心部的硬度梯度；FEI QUANTA 400掃描電鏡觀察微觀組織形貌、測定滲氮物成分與分布，Oxford能譜儀分析滲氮后的表層成分及氮元素的分布等。

2 試驗(yàn)工藝

滲氮前驅(qū)動環(huán)基體硬度為200HV,滲氮加熱溫度：560℃，保溫時間:6h，冷卻方式：隨爐空冷，驅(qū)動環(huán)樣的離子滲氮處理分兩批進(jìn)行。第一批，采用稀土LaCl3做催滲劑；第二批，不添加任何催滲劑，具體見表3。

表3 驅(qū)動環(huán)離子滲氮工藝

為了保證試驗(yàn)的精確性，在熱電偶附近取驅(qū)動環(huán)制備檢測試樣，制取規(guī)格為10mm×10mm的試樣組，依次做標(biāo)記0#、1#、2#、3#、4#，0#為原始未滲氮試樣，做參照物用；1#、2#為稀土催滲試樣，3#、4#為常規(guī)離子滲氮試樣，將這五組試樣從滲層硬度分布、金相組織、滲層氮濃度分布三個方面進(jìn)行對比分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滲層硬度分布

試驗(yàn)載荷為0.1kg，分別測定試樣表面硬度及由邊緣至心部硬度梯度。為了保證數(shù)值的準(zhǔn)確性，每個試樣測試3～5個點(diǎn)取平均值作為其表面硬度值；每隔50μm測試一個點(diǎn)，一共測出10個點(diǎn)，對每個試樣在不同部位測試3～5次，取其平均值作為其硬度梯度值。硬度測定結(jié)果列于表4，硬度梯度見圖1。

由表4，圖1可知，以0#未滲氮試樣硬度值作為評定層深的基準(zhǔn)，可知稀土催滲樣較常規(guī)離子滲氮樣平均提高了約16%。常規(guī)離子滲氮的表面硬度最高達(dá)850HV0.1，較未滲氮樣提高了308%～321%；稀土催滲樣的表面硬度最高達(dá)1100HV0.1，較未滲氮樣提高了367%～445%，較常規(guī)離子滲氮樣提高了13%～29%。在相同工藝下，普通離子滲氮在層深0.05mm處，硬度一般為700HV0.1左右，而稀土催滲樣在相同層深處，硬度都超過800HV0.1，甚至更高。由此可知，驅(qū)動環(huán)經(jīng)加稀土離子滲氮后，從表面硬度、硬度梯度還是從滲層深度來看，較常規(guī)離子滲氮更具優(yōu)越性。

圖1 試樣橫截面硬度梯度分布圖

距表面距離/μm硬度/HV0.10#1#2#3#4#未滲氮催滲催滲常規(guī)常規(guī)0202110094385082550200925845715692100204770680640613150204650590562495200192550525485405250194472435396334300196380347325296350193283267232222400184226215190190450181195195179179500182186184175175

3.2 金相組織

驅(qū)動環(huán)經(jīng)稀土催滲后金相組織觀察,與常規(guī)離子滲氮比較,發(fā)現(xiàn)表層都不同程度出現(xiàn)了化合物層，滲層都包含白亮層、擴(kuò)散層和基體組織，無明顯差異，未出現(xiàn)脈狀組織。稀土催滲較常規(guī)離子滲氮樣，化合物層厚度更薄，滲氮物的分布更加均勻，滲層結(jié)構(gòu)更為合理。1#～4#試樣的金相照片見圖2。

圖2 1#～4#滲氮層金相照片

3.3 滲氮層氮濃度分布

對1#～4#樣進(jìn)行掃描電鏡能譜觀察表明，表層均有約5μm的白亮層。稀土催滲1#樣較常規(guī)離子滲氮3#樣，白亮層組織更致密且與擴(kuò)散層有著較為明顯的分界，如圖3所示。以1#為例，利用掃描電鏡能譜儀對滲氮層的成分進(jìn)行分析，檢測部位見圖4，能譜圖及成分見圖5。其余三個試樣分析方法同1#，各試樣測試結(jié)果列于表5，每隔2μm按實(shí)際分析10個點(diǎn)能譜成分分析，做出氮含量變化趨勢如圖6所示。

圖3 1# 、3#滲氮層掃描電鏡照片

圖4、圖5表明，稀土La已經(jīng)滲入零件表層，并已擴(kuò)散到其內(nèi)部較深處。稀土催滲樣表現(xiàn)出更高的硬度值和更厚的層深，這可能是由于兩方面的原因[3-7]。一方面，稀土催滲劑的添加，能夠與滲氮?dú)夥罩械难踅Y(jié)合除氧，從而提高零件表面活性，促進(jìn)氮的吸附與擴(kuò)散過程，從而形成各種合金氮化物，相比常規(guī)離子滲氮，硬度更高；另一方面，稀土的加入使得氣氛中的原子活性增強(qiáng)，增加了離子轟擊效應(yīng)，由于鑭元素的原子半徑比鐵大，它的進(jìn)入使工件周圍產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，高密度位錯等界面缺陷增加，從而使氮原子沿著這些擴(kuò)散通道富集，促進(jìn)氮原子向鋼內(nèi)部吸附、遷移擴(kuò)散，從而表現(xiàn)出更高的硬度值。

圖4 1#滲氮層能譜成分分析檢測點(diǎn)

圖5 稀土催滲1#滲氮層檢測點(diǎn)能譜圖

圖6 1#～4#滲氮層含氮量分布曲線

常規(guī)離子滲氮和稀土催滲樣，氮濃度總的變化趨勢均是由表及里，依次降低。這是因?yàn)?(1)稀土滲入鋼表層后將形成一個含氮原子團(tuán)，由表及里，氮勢會越來越低，能提供的活性氮原子勢必愈來愈少，為了保持界面動態(tài)平衡，滲層表面必然會不斷填補(bǔ)氮原子，從而使表層氮含量始終含量最高；(2)由于溫度效應(yīng)以及離子攻擊效應(yīng)是由表及里逐漸減弱的，使得鋼基內(nèi)部原子動能顯著弱于表層，表層原子致密度較大，從而阻礙氮原子向內(nèi)遷移。

同爐處理的稀土催滲試樣1#、2#，常規(guī)離子滲氮試樣3#、4#,表現(xiàn)出不同的含氮濃度分布，這應(yīng)該與試樣在爐內(nèi)所處位置受熱的不均勻性有關(guān)。受熱升溫越高，氮原子擴(kuò)散系數(shù)就越大，擴(kuò)散速度、能力越強(qiáng)，從而表現(xiàn)出較高的氮含量。

4 結(jié)論

汽車零件驅(qū)動環(huán)，進(jìn)行離子滲氮稀土催滲，滲后性能達(dá)到技術(shù)要求，可以替代以往的滲碳工藝，滿足用戶要求。

根據(jù)用戶的技術(shù)要求，驅(qū)動環(huán)適用的離子滲氮稀土催滲溫度為560℃，保溫時間6h，添加自制LaCl3稀土催滲劑，催滲效果明顯，常規(guī)離子滲氮的表面硬度能達(dá)到825～850HV0.1，稀土催滲的表面硬度達(dá)到了943～1100HV0.1，平均表面硬度、平均滲氮層深度、平均滲氮層氮含量均提高了16%～21%。

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