微量硼對C100從動齒輪組織與性能的影響

劉筱薇 高柳君 馮妮 李韜 邵濤

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

用粉末冶金方法制造齒輪是一種高效、精密、靈活的金屬加工方法，適于大批量低成本生產(chǎn)高強(qiáng)度、高精度的齒輪。粉末冶金鐵基燒結(jié)材料具有優(yōu)良的耐磨性和制造工藝［1］，但由于孔隙的存在，強(qiáng)度和硬度受到限制，采用表面工程技術(shù)與粉末燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，可以得到高強(qiáng)度和耐磨性的表面層。常用粉末冶金齒輪制造工藝為:合金粉末與添加劑→混合粉末→模壓成型→預(yù)燒結(jié)→燒結(jié)→后續(xù)處理(表面滾壓、熱處理、噴丸處理、機(jī)加工等)。其中熱處理主要有表面淬火、氮化等工藝。表面淬火變形較大，當(dāng)淬火層深度不足時，表面硬化層的硬度會受到影響;氮化層性能優(yōu)良，但成本較高，還未普遍使用。

本文通過加入微量硼等合金元素來提高粉末冶金齒輪材料的淬透性，改善了C100齒輪的組織結(jié)構(gòu)，提高了齒輪的硬度，并與氮化處理進(jìn)行了對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用粉末冶金工藝制造含鐵、銅及微量硼元素的C100摩托車從動齒輪，研究含硼量對齒輪淬透性、硬度等性能的影響。

以粒度小于50 μm的還原鐵粉為基礎(chǔ)，添加一定量粒度為20～50 μm 的 Cu、Cr、W、B 等粉末和硬脂酸類的粉末潤滑劑等，混合均勻后雙向壓制成型，在氨分解保護(hù)氣氛中燒結(jié);試樣采用高頻淬火與快速離子氮化2種工藝進(jìn)行表面處理。高頻淬火是在Y6－100－250電子管變頻裝置上對制備的材料進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火表面處理，淬火后水冷，200℃回火?？焖匐x子氮化工藝為:隨爐升溫至535℃，保溫2 h，隨后降溫至450℃，保溫10 min，反復(fù)升溫、降溫，當(dāng)溫度降至380℃，保溫30 min后，最終隨爐降至室溫。

表1 試樣的成分(質(zhì)量百分比)及處理狀態(tài) %

分別在高頻淬火與離子氮化處理后的齒輪上取樣，用金相砂紙按照先粗后細(xì)順序磨制，機(jī)械拋光后，用3%的硝酸酒精溶劑腐蝕，在OLYMPAS GX71大型金相顯微鏡上觀察組織。用HVS－1000型號數(shù)顯顯微硬度計測試其高頻淬火層與氮化層的維氏硬度值，由表面逐漸向中心部每隔1.5 mm測量1次。將金相試樣放入HITACHI S－3700N掃描電鏡中觀察組織形貌。采用DX－2700型X射線衍射儀分析其氮化層的物相組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相組織分析

2.1.1 硼含量對齒輪高頻淬火組織與淬硬層深度的影響

圖1、圖2、圖 3 分別為含硼0.0015%、0.0030%和0.0045%的高頻淬火低溫回火的組織，其組織是針狀回火馬氏體，而且細(xì)小、均勻。隨著含硼量的增加，馬氏體片有細(xì)化的趨勢。硼在基體中的最大溶解度不超過0.0020%，超過其極限溶解度的硼可能形成化合物，具有阻礙晶粒長大的作用。高頻淬火加熱速度快，時間短，奧氏體晶粒細(xì)小、均勻，因而淬火后馬氏體組織也細(xì)小、均勻。但硼含量過高有可能使晶粒粗化［2］，所以硼含量要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

圖1 0.0015%B試樣1齒部500倍顯微組織

圖2 0.0030%B試樣2齒部500倍顯微組織

圖3 0.0045%B試樣3齒部500倍顯微組織

不同硼含量高頻淬火齒輪的淬硬層如圖4所示，含硼量分別為 0.0015%、0.0030%、0.0045%的試樣的平均淬硬層深度分別是 1.3、1.6、1.4 mm。隨著硼含量的增加，工件的淬硬層深度增加，達(dá)到極大值后降低，即硼可以增加合金的淬透性，且與硼的含量有關(guān)。通常認(rèn)為在淬火冷卻過程中硼原子偏聚于奧氏體晶界上，降低晶界能，抑制了鐵素體的形核，同時晶界上的硼原子也阻止了晶界原子的擴(kuò)散，使鐵素體在晶界上形核減緩，從而增加淬透性。但硼的含量超過一定值后，硼化物的析出為鐵素體的形成提供了中心［3］。因此，只有硼含量在一定范圍內(nèi)時，才能有效地提高淬透性。

圖4 不同硼含量高頻淬火齒輪的淬硬層

2.1.2 氮化時間對齒輪氮化層的影響

為了說明表面淬火層的性能，實(shí)驗(yàn)中特制備了氮化試樣，以便于對比。由于試樣4經(jīng)過離子氮化8 h處理后，氮化層無化合物層，硬度提高不顯著，因此對試樣5和試樣6分別進(jìn)行離子氮化16 h及24 h的處理(圖5、圖6)。試樣5氮化后出現(xiàn)不連續(xù)的化合物層;試樣6氮化后化合物層連續(xù)，且明顯增厚。說明氮化時間越長，擴(kuò)散越充分，氮化層越厚其表面硬度越高。

圖5 試樣5氮化處理16 h后的氮化層

2.2 掃描電鏡分析

高頻淬火層的組織形態(tài)見圖7，可觀察到細(xì)小針狀馬氏體組織，有少量的夾雜物與孔隙存在;因?yàn)橛形⒘吭匦纬傻幕衔?，阻止了晶粒長大，同時高頻淬火快速短時加熱奧氏體化，奧氏體晶粒細(xì)小，因此在淬火后馬氏體片必然更細(xì)小，這與圖3所示的金相觀察結(jié)果是一致的。

氮化齒輪的顯微組織形態(tài)見圖8，由表及里依次為表層化合物層、擴(kuò)散層、心部片狀珠光體組織。由于氮化溫度在550℃左右，未達(dá)到材料的奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度，齒輪變形小，因而保證了高精度，有利于提高齒輪齒部的硬度及耐磨性能。

圖6 試樣6氮化處理24 h后的氮化層

圖7 試樣3高頻淬火層的組織形態(tài)

圖8 試樣6氮化24 h后的組織形態(tài)

2.3 X射線衍射分析

試樣6經(jīng)離子氮化處理24 h的X射線衍射譜圖見圖9，處理后表層組織中含有Fe4N，所以齒輪表層硬度顯著提高。

圖9 試樣6氮化處理24 h后的X射線衍射譜圖

2.4 顯微硬度測試結(jié)果分析

利用HVS－1000型號數(shù)顯顯微硬度計測得試樣3、試樣5的硬度沿層深的分布見圖10。

圖10 硬度沿層深的分布

試樣5氮化后的表層硬度與高頻淬火的表層硬度相當(dāng)，硬化層深度也相當(dāng)，雖然氮化硬度下降略顯平緩，對齒輪的承載能力及使用壽命均有利，但氮化的成本較高，所以添加微量硼提高淬透性后，高頻淬火更適合C100從動齒輪的表面強(qiáng)化處理。

3 結(jié)論

(1)隨著硼含量的增加淬火層加深，含硼0.0030%的試樣淬火層最深，且隨硼含量增加，馬氏體片層有細(xì)化的趨勢。

(2)添加微量硼提高淬透性后，高頻淬火更適合C100從動齒輪的表面強(qiáng)化處理。

［1］韓鳳麟，馬?？?，曹勇家.中國材料工程大典:粉末冶金材料工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:4-5.

［2］趙振華，陳慶偉，袁輝，等.硼對低碳鋼晶粒尺寸的影響［J］.鋼鐵，2006，41(3):67-70.

［3］陳卓，吳曉春，汪宏斌，等.微量硼及奧氏體化溫度對P20B鋼淬透性的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報，2008，20(10):40-43.