12Cr2Ni4A鋼主動(dòng)齒輪兩次碳氮共滲工藝研究

游平平, 趙明鵬

(南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

碳氮共滲(亦稱氰化)是鋼在奧氏體狀態(tài)下, 通過將活性介質(zhì)分解出的碳和氮原子滲入鋼表面, 以提高表面硬度和耐磨性等性能的化學(xué)熱處理方法[1]。碳氮共滲本質(zhì)上是以滲碳為主同時(shí)滲入氮的化學(xué)熱處理工藝。目前，已廣泛應(yīng)用于齒輪、軸承等機(jī)械零件的表面強(qiáng)化處理。

某航空機(jī)載裝備中的主動(dòng)齒輪如圖1所示，其材料為12Cr2Ni4A，是某產(chǎn)品中的重要零件。由于齒輪和花鍵受力大小和性質(zhì)不一樣，因此提出的深度要求也不同。在保證心部柔韌性的同時(shí)還要確保表面的耐磨性，因而需對表面和心部強(qiáng)化處理提出不同的技術(shù)要求。目前，國內(nèi)關(guān)于兩次氰化方面研究較少。另外，相同材料在成分上的細(xì)小差異，往往會(huì)使心部硬度出現(xiàn)很大的偏差。為了避免這一偏差，同時(shí)滿足兩種滲層深度要求，本文針對該零件進(jìn)行兩次氰化試驗(yàn)研究。

1 零件狀況

主動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)要求齒廓表面和T表面滲層深度0.55～0.75 mm，硬度58～62HRC；內(nèi)花鍵齒兩側(cè)工作面滲層深度0.15～0.4 mm，硬度≥56 HRC；中心硬度34～41 HRC。金相組織按HB 5492—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金相組織分級與評定》-Ⅲc的要求執(zhí)行。該類型零件兩次氰化難度在于：

圖1 零件形狀圖Fig.1 Part shape drawing

1)零件的氰化面為齒部和內(nèi)花鍵，尺寸較小，氰化過程中容易產(chǎn)生尖角效應(yīng)，金相組織不易合格。因此，需要嚴(yán)格控制滲劑濃度；

2)零件外齒的兩次氰化，需要嚴(yán)格控制滲劑的濃度和氰化過程，保證零件的氰化深度、硬度及表面金相組織合格。

3)零件的淬火方式：需探索油冷和不同溫度下等溫淬火對內(nèi)花鍵變形的影響。

2 氰化工藝參數(shù)

2.1 共滲劑

氣體碳氮共滲常用滲劑為三乙醇胺和尿素混合而成的含碳氮化合物溶液(三乙醇胺和尿素按4:1比例混合)，通過滴注器滴入井式滲碳爐內(nèi)。

2.2 共滲溫度

共滲溫度直接影響碳氮共滲介質(zhì)的活性和碳、氮原子的擴(kuò)散系數(shù)，對滲層的碳氮濃度、滲層深度乃至滲層金相組織等均有較大影響。因此，選擇合適的碳氮共滲溫度，對提高滲層質(zhì)量和加快滲速十分重要。

碳氮共滲常用溫度為820～880 ℃[2]，對于要求具有良好綜合力學(xué)性能的零件，一般選取中上限，但隨著溫度的升高會(huì)使晶粒粗大，故兩次氰化均選擇860 ℃。淬火溫度是決定表面和心部組織、性能的一個(gè)重要因素，碳氮共滲后降溫直接淬火或二次加熱淬火，不同的淬火溫度對淬硬層組織和心部力學(xué)性能有較大的影響。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[3]，本試驗(yàn)選取淬火方法為碳氮共滲后直接降溫至810 ℃。

2.3 共滲速率

采用氰化工藝參數(shù)為溫度860 ℃，滴量80滴/min。12Cr2Ni4A材料的氰化結(jié)果，如表1所示。

表1 氰化溫度、深度及對應(yīng)時(shí)間

相應(yīng)的速率波動(dòng)如圖2所示。由圖可知，氰化的平均速率在0.17～0.3 mm/h之間，并且隨著氰化深度的增加，平均速率呈遞減的趨勢。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常以氰化的平均速率來檢查試棒深度，確定出爐時(shí)間。

圖2 氰化平均速率Fig.2 Average cyanidation rate

2.4 氰化工藝流程

本試驗(yàn)采取的氰化工藝流程為：升溫至工作溫度(滴入滲劑排氣)→零件裝爐→排氣→回復(fù)到共滲溫度→碳氮共滲(火焰呈干凈的青黃色)。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求(外齒最終氰化深度0.55～0.75 mm，內(nèi)花鍵氰化深度0.15～0.4 mm)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種兩次碳氮共滲工藝方法：

試驗(yàn)方法一：按現(xiàn)有機(jī)加工藝路線，先對齒部進(jìn)行一次氰化(深度達(dá)到0.4～0.6 mm),合格后再對齒部和內(nèi)花鍵進(jìn)行氰化，達(dá)到工藝要求深度；

試驗(yàn)方法二：將齒部一次氰化達(dá)到工藝最終要求深度，然后對齒部鍍銅保護(hù)后，只對內(nèi)花鍵進(jìn)行氰化。

3.1 試驗(yàn)方法一

3.1.1齒部一次氰化退火

第一次氰化工藝深度要求為0.4～0.6 mm。選擇齒大小、齒數(shù)等參數(shù)和零件相同的φ8 mm的12Cr2Ni4A試棒，在860 ℃保溫2.5～4 h進(jìn)行氰化退火。

氰化過程中按照估算時(shí)間提前將試棒從取樣孔取出，快速檢查滲層深度，以便確定試件出爐時(shí)間，共滲170 min后出爐。退火后齒部滲層深度為0.50 mm，符合一次氰化深度0.4～0.6 mm的要求。

3.1.2 齒部二次氰化淬火

將一次氰化后的試樣加工出內(nèi)花鍵，齒部一次氰化后深度0.5 mm，要求二次氰化后深度0.55～0.75 mm。由圖2可知，深度越深，滲速越慢，故滲速應(yīng)低于0.17 mm/h。為了防止齒部超深，將內(nèi)花鍵的深度控制在中下限，按0.17～0.3 mm/h速率估算氰化時(shí)間為1～1.5 h。通常12Cr2Ni4A材料在810 ℃淬火+低溫回火后心部硬度可達(dá)44 HRC，超過了中心硬度要求34～41 HRC，故需調(diào)整淬火工藝。

通過分析該鋼滲碳前后的C 曲線，為了同時(shí)滿足表面和心部硬度要求，本試驗(yàn)采用等溫處理的方法，即在810 ℃保溫8～10 min 后轉(zhuǎn)入310 ℃硝鹽槽保溫10～15 min。此時(shí)零件心部溫度在其Ms點(diǎn)以下，心部組織部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使心部硬度滿足要求；而保溫結(jié)束后空冷至表面滲碳層的Ms點(diǎn)以下及后續(xù)的冷處理過程中，使表面組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，最終滿足表面硬度要求[4]。具體工藝如圖3所示。

圖3 二次氰化熱處理工藝 Fig.3 The teice cyaniding heat treatment process

按上述工藝進(jìn)行二次氰化后，齒部和內(nèi)花鍵的深度和硬度見表2，齒部和內(nèi)花鍵的滲層組織分別見圖4和圖5。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

按照上述工藝進(jìn)行一次氰化后，齒部滲層深度為0.50 mm，符合機(jī)加要求的0.4～0.6 mm。二次氰化后齒部滲層深度達(dá)到0.65 mm，符合機(jī)加最終要求深度0.55～0.75 mm；內(nèi)花鍵深度0.3 mm，滿足0.15～0.40 mm的要求。

表2 二次氰化后齒部和內(nèi)花鍵硬度和滲層深度

圖4 二次氰化后齒部滲層金相組織Fig.4 Microstructure of carburized layer of tooth after twice cyaniding

圖5 二次氰化后內(nèi)花鍵的滲層金相組織Fig.5 Microstructure of carburized layer of internal spline after twice cyaniding

齒部二次氰化淬火后表面硬度61 HRC，氰化處理與常規(guī)馬氏體淬火相比，提高了工件的表面硬度，并形成一定深度的淬硬層[5]。符合HB/Z 159中12Cr2Ni4A氰化表層硬度≥58 HRC要求，也符合設(shè)計(jì)要求58～62 HRC；內(nèi)花鍵氰化表面硬度為62.5 HRC，符合HB/Z 159中12Cr2Ni4A氰化淬火后表層硬度≥58 HRC要求，同時(shí)符合設(shè)計(jì)要求≥56 HRC，中心硬度39 HRC符合設(shè)計(jì)要求的34～41 HRC。齒部二次氰化淬火后滲層的金相組織見圖4，組織為高碳馬氏體+極少量碳化物，符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)HB 5492滲層金相組織2級，滿足設(shè)計(jì)要求的HB 5492-ⅢC類(碳化物1～7級合格，殘余奧氏體1～4級合格)；內(nèi)花鍵的滲層金相組織如圖5所示，組織為高碳馬氏體+少量殘奧氏體，符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)HB 5492滲層金相組織2級，滿足設(shè)計(jì)要求的HB 5492-ⅢC類。

3.2 試驗(yàn)方法二

3.2.1 齒部一次氰化退火

按結(jié)構(gòu)鋼空氣爐淬火保溫時(shí)間公式(0～10)+(1.5～2)*條件厚度min/mm，計(jì)算齒輪氰化退火后淬火保溫時(shí)間為1 h左右。內(nèi)花鍵按中下限深度氰化時(shí)間為1～1.5 h，可達(dá)到一次氰化工藝最終要求深度0.55～0.75 mm。齒部鍍銅保護(hù)后，只對內(nèi)花鍵進(jìn)行氰化是可行的。

選擇齒輪大小、齒數(shù)等參數(shù)和零件相同的12Cr2Ni4A試樣。按已有的工藝參數(shù)進(jìn)行氰化退火，共滲時(shí)間為210 min，深度為0.57 mm。

3.2.2 齒部鍍銅保護(hù)，花鍵氰化淬火

將試樣加工出內(nèi)花鍵，并將試樣齒部鍍銅保護(hù)后，按圖3氰化淬火工藝進(jìn)行氰化?？紤]到試樣的表面硬度，將氰化溫度降低為840 ℃。氰化后齒部和內(nèi)花鍵的深度和硬度見表3，齒部和內(nèi)花鍵的滲層金相組織分別見圖6和圖7。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析

試樣氰化退火后滲層深度為0.57 mm，齒部鍍銅保護(hù)后隨內(nèi)花鍵一起氰化淬火的深度為0.57 mm，滿足設(shè)計(jì)最終要求的滲層深度0.55～0.75 mm；內(nèi)花鍵深度為0.23 mm，滿足設(shè)計(jì)0.15～0.40 mm的要求。齒部和內(nèi)花鍵的滲層金相組織均滿足設(shè)計(jì)要求的HB 5492-ⅢC類，但齒部表面硬度有所下降，這可能是因?yàn)樵诟邷叵掠绣冦~層保護(hù)，降低了工件表面C、N原子濃度。

表3 氰化淬火后齒部和內(nèi)花鍵硬度和滲層深度

圖6 氰化淬火后齒部滲層金相組織Fig.6 Microstructure of carburizing layer on tooth after cyaniding quenching

圖7 氰化淬火后內(nèi)花鍵的滲層金相組織Fig.7 Microstructure of carburized layer of internal spline after cyaniding quenching

4 結(jié)果與討論

本文采用兩種兩次碳氮共滲工藝方法：一種是12Cr2Ni4A鋼齒部一次氰化達(dá)到工藝最終要求深度，然后齒部鍍銅保護(hù)，只對內(nèi)花鍵進(jìn)行氰化；另一種是對12Cr2Ni4A鋼齒部進(jìn)行一次氰化(深度要求0.4～0.6 mm)，合格后再對齒部和內(nèi)花鍵同時(shí)進(jìn)行氰化，達(dá)到最終工藝要求深度。這兩種工藝方法都可以滿足技術(shù)要求。后者氰化淬火后，齒部和內(nèi)花鍵的滲層深度、表面硬度、中心硬度和表面金相組織都能滿足技術(shù)要求；而前者對齒部鍍銅保護(hù)后進(jìn)行二次氰化淬火，齒部表面硬度卻有所降低，只是勉強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求。因此，對于前者可以通過嘗試將第一次氰化深度加深、增加滲劑滴量等方式來增加表面濃度，從而提高齒部表面硬度。