潘 淵

(舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院，浙江舟山316021)

0 引言

滲氮層深度是衡量零部件滲氮層性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。滲氮層深度的測定是依據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》規(guī)定的硬度法和金相法兩種。硬度法采用維氏硬度，試驗(yàn)力為2.94 N，從試樣表面測至比基體維氏硬度高50 HV處的垂直距離為滲氮層深度，是有爭議時使用的仲裁方法［1］，在生產(chǎn)實(shí)踐中顯得尤為普遍和重要。

38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒硬度高、耐磨性好、強(qiáng)度大，綜合機(jī)械性能優(yōu)良，是塑料機(jī)械中的關(guān)鍵部件。然而由于現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對滲氮層基體硬度沒有明確的指標(biāo)規(guī)定［2］，實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)，過低的基體硬度造成滲氮層硬度和硬度梯度顯著下降，以至于滲氮層測定深度范圍內(nèi)的部分區(qū)域梯度硬度明顯偏低，已不能滿足滲氮螺桿機(jī)筒對耐磨性、強(qiáng)度等方面的要求，需要通過適當(dāng)調(diào)整測定方法，將梯度硬度明顯偏低的區(qū)域從測定深度范圍內(nèi)剔除，以提高滲氮層深度測定的科學(xué)性和測量結(jié)果的可比性。

本研究用測量實(shí)例分析了基體硬度與滲氮層性能的對應(yīng)關(guān)系，并通過滲氮層基體硬度形成機(jī)理的研究分析，探討了38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層基體硬度的控制范圍，提出在滲氮層深度的測定過程中對過低的基體硬度應(yīng)設(shè)置下限值。

1 基體硬度與滲氮層性能具有對應(yīng)關(guān)系

38CrMoAl 滲氮螺桿同爐試樣在不同基體硬度時的表面硬度、脆性、滲氮層硬度梯度和測定深度的實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 38CrMoAl 滲氮螺桿同爐試樣的表面硬度、脆性、滲氮層硬度梯度和深度實(shí)測數(shù)據(jù)

表1 中基體硬度對滲氮層硬度梯度的影響如圖1所示。

圖1 基體硬度對滲氮層硬度梯度的影響

表1 中的數(shù)據(jù)表明:各組試樣的滲氮層硬度隨著與表面之間距離的增大而下降，并分別在距離表面0.40 mm ～0.60 mm 的淺深層趨近于基體硬度(如圖1所示)。試樣的基體硬度與滲氮層性能具有密切的對應(yīng)關(guān)系，隨著滲氮層基體硬度的下降，試樣表面硬度下降明顯，表面脆性改善，滲氮層深度增加;隨著滲氮層基體硬度的下降，試樣滲氮層硬度梯度明顯降低，尤其是在對滲氮層深度的前0.30 mm 段影響顯著，對耐磨性要求高的螺桿機(jī)筒的使用壽命影響很大(如圖1所示)。滲氮層基體硬度在239HV0.3 時雖然測定的滲氮層深度達(dá)0.56 mm，但表面硬度和硬度梯度顯著下降，尤其是滲氮層深度＞0.45 mm 時的硬度已明顯偏低;當(dāng)滲氮層基體硬度達(dá)到298 HV0.3 時雖然滲氮層的表面硬度和硬度梯度很高，但滲氮層深度明顯減小;基體硬度在248 HV0.3 ～285 HV0.3 范圍內(nèi)的表面硬度、硬度梯度和深度等滲氮層的綜合性能良好。

表1 是在38CrMoAl 滲氮螺桿大量的實(shí)際檢測過程中選取的較典型的幾組實(shí)測數(shù)據(jù)，雖然樣品的原材料、熱處理工藝及控制過程不盡相同，但其總體趨勢與基本特性反映了38CrMoAl 滲氮螺桿基體硬度與滲氮層性能之間的對應(yīng)關(guān)系。

2 滲氮層基體硬度的形成

滲氮層基體硬度是指距離表面3 倍滲氮層深度時測得的硬度值，是由滲氮前的心部硬度與在該深度距離處氮化引起的硬度增量相疊加的結(jié)果［3］，由于滲氮零件的心部性能是由滲氮前的熱處理決定，距離表面3 倍滲氮層深度處氮化引起的硬度增量很小，38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層基體組織的硬度主要由滲氮前的調(diào)質(zhì)硬度決定。38CrMoAl 螺桿機(jī)筒典型的熱處理工藝過程包括調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)、去應(yīng)力退火、滲氮。

38CrMoAl 調(diào)質(zhì)過程的淬火溫度由38CrMoAl 的Ac3決定一般為940 ℃±15 ℃，淬火介質(zhì)由38CrMoAl的淬透性決定，一般為油或水［4］。調(diào)質(zhì)過程回火溫度的選擇不僅要根據(jù)基體硬度的要求，還必須考慮之后的去應(yīng)力退火和滲氮過程的影響，回火溫度越低，得到的回火索氏體越細(xì)小，基體硬度越高;回火溫度上升，回火索氏體也隨之粗大，基體硬度下降。去應(yīng)力退火是將工件加熱到Ac1以下的一個適當(dāng)?shù)臏囟纫韵冃渭庸ぁC(jī)械加工等過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，38CrMoAl的去應(yīng)力退火溫度一般控制在600 ℃ ～650 ℃。38CrMoAl 螺桿機(jī)筒氣體滲氮是目前使用最為廣泛的一種抗磨滲氮，分為一段(等溫)、二段、三段式滲氮，滲氮溫度范圍一般在510 ℃～570 ℃，滲氮溫度越高，則氮原子的擴(kuò)散速度越大，滲氮層深度增而硬度降低;滲氮溫度降低，則氮原子的擴(kuò)散速度減低，氮化硬質(zhì)點(diǎn)更多在表面集聚，滲氮層深度減少而硬度升高。

生產(chǎn)實(shí)踐中為了保證基體組織的穩(wěn)定性，避免去應(yīng)力退火、滲氮時的心部組織產(chǎn)生變化，通常使回火溫度比滲氮溫度高50 ℃左右，去應(yīng)力退火溫度則控制在回火溫度與滲氮溫度之間，38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮前的調(diào)質(zhì)回火溫度一般應(yīng)控制在640 ℃～680 ℃范圍之內(nèi)。國內(nèi)相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)得到的38CrMoAl 調(diào)質(zhì)回火溫度與基體硬度關(guān)系［5］如表2所示。

表2 38CrMoAl 調(diào)質(zhì)回火溫度與基體硬度的關(guān)系

3 38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層基體硬度的控制

38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒對硬度、強(qiáng)度、耐磨性和綜合機(jī)械性能的要求高，雖然相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中未對滲氮層的基體硬度作出明確的規(guī)定，但是實(shí)踐和研究表明滲氮層的基體硬度與其最終性能質(zhì)量關(guān)系密切，基體硬度是生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制的關(guān)鍵技術(shù)工藝指標(biāo)，研究確定38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層基體硬度的適用范圍對生產(chǎn)實(shí)踐具有普遍的指導(dǎo)意義。

38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層的基體硬度主要由滲氮前的調(diào)質(zhì)硬度決定，基體硬度與滲氮層具有密切的對應(yīng)關(guān)系，隨著滲氮層基體硬度的降低，滲氮層硬度及硬度梯度也隨著降低，當(dāng)滲氮層基體硬度過低時，滲氮層硬度和硬度梯度顯著下降，生產(chǎn)實(shí)踐中為了保證滲氮層硬度必須使其調(diào)質(zhì)硬度達(dá)到相對應(yīng)的值［6］。表1的數(shù)據(jù)分析表明，基體硬度在248 HV 以上時，滲氮層的表面硬度、硬度梯度和深度等均具有良好的性能。近幾年國內(nèi)的相關(guān)研究表明:調(diào)質(zhì)硬度控制在250 HBW ～280 HBW 范圍，可解決滲氮硬度不足和滲氮層深度偏淺，并可改善滲氮層的硬度梯度［7-8］;基體硬度對淺層氮化的表面硬度影響明顯，而對深層氮化的表面硬度影響較小，控制基體硬度在260 HBW ～300 HBW 范圍，可解決滲氮硬度不足問題。綜上所述，38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層基體硬度控制在250 HBW以上，即維氏硬度≥250 HV［9］是適宜的。

同時，由于受到為保持基體組織的穩(wěn)定性對降低調(diào)質(zhì)回火溫度的限制、保證滲氮層深度和改善機(jī)械加工性能等因素的制約，滲氮層基體硬度實(shí)際上也不能過高，一般應(yīng)控制在300 BHW 以下。因此，為了保證38CrMoAl 氮化螺桿機(jī)筒滲氮層的表面硬度、硬度梯度和深度等綜合性能，滲氮層基體硬度控制在250 HBW ～300 HBW 之間是合理的。

4 滲氮層深度測定中過低基體硬度下限值的設(shè)置與表示

采用硬度法進(jìn)行滲氮層深度測定中，滲氮層深度是以從試樣表面測至比基體維氏硬度高50 HV 處的垂直距離來定義的，因此基體維氏硬度的高低對滲氮層深度測定結(jié)果影響很大。基體硬度越低卻越有利于滲氮層深度的測定，過低的基體硬度造成滲氮層表面硬度和硬度梯度顯著下降，以至于滲氮層測定深度范圍內(nèi)的相當(dāng)一部分區(qū)域梯度硬度明顯偏低，已不能滿足滲氮螺桿機(jī)筒對耐磨性、強(qiáng)度等方面的要求，螺桿機(jī)筒通過滲氮而強(qiáng)化作用大為減弱。因此，在螺桿機(jī)筒滲氮層深度測定過程中通過設(shè)定基體硬度下限值，將梯度硬度明顯偏低的區(qū)域從測定深度范圍內(nèi)剔除很有必要。其主要作用表現(xiàn)在:①提高滲氮層深度測定的科學(xué)性和測量結(jié)果的可比性;②對滲氮層基體硬度提出了間接的指標(biāo)要求從而引導(dǎo)生產(chǎn)者改進(jìn)工藝、加強(qiáng)過程控制與管理、提高產(chǎn)成品質(zhì)量。

結(jié)合前面的分析研究結(jié)果，考慮到滲氮層深度測定采用維氏硬度，將滲氮層深度測定過程中的基體硬度的下限值設(shè)定在250 HV 較適宜。在滲氮層深度測定過程中，當(dāng)測得的基體硬度＜250 HV 時，本研究均以從試樣表面測至比250 HV 硬度高50 HV 處，即硬度為300 HV處的垂直距離作為滲氮層的測定深度，并按照GB/T 11354—2005 的規(guī)定統(tǒng)一用300 HV 的界限硬度表示測定結(jié)果;當(dāng)測得的基體硬度≥250 HV 時，滲氮層深度則均按照GB/T 11354—2005 的規(guī)定進(jìn)行測定與表示。

5 結(jié)束語

本研究通過基體硬度的形成機(jī)理與控制研究，提出38CrMoAl 螺桿機(jī)筒滲氮層基體硬度的控制范圍和基體硬度宜設(shè)定的下限值，研究結(jié)果表明:

(1)38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒的滲氮層硬度隨著與表面之間距離的增大而下降，一般在距離表面0.40 mm ～0.60 mm 的淺深層趨近于基體硬度。

(2)38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒基體硬度主要由滲氮前的調(diào)質(zhì)硬度決定。調(diào)質(zhì)的回火溫度越低，基體硬度越高;回火溫度上升，基體硬度下降。為了保證基體組織的穩(wěn)定性，一般應(yīng)使調(diào)質(zhì)回火溫度比滲氮溫度高50 ℃左右，去應(yīng)力退火溫度應(yīng)在回火溫度與滲氮溫度之間。

(3)38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒的基體硬度與滲氮層表面硬度、硬度梯度、深度、脆性具有密切的對應(yīng)關(guān)系。隨著滲氮層基體硬度的降低，滲氮層表面硬度及硬度梯度也伴隨著降低，表面脆性改善，滲氮層深度增加。

(4)38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒的滲氮層基體硬度控制在250 HBW ～300 HBW 范圍，可有效地解決滲氮硬度不足和滲氮層深度偏淺，改善滲氮層的硬度梯度。

(5)38CrMoAl 滲氮螺桿機(jī)筒滲氮層深度測定中基體硬度下限值設(shè)定為250 HV 較適宜。具體地說，當(dāng)基體硬度＜250 HV 時，以從試樣表面測至比250 HV 硬度高50 HV 處的垂直距離作為滲氮層的測定深度，并按照GB/T 11354—2005 的規(guī)定統(tǒng)一用300 HV 的界限硬度表示測定結(jié)果;當(dāng)基體硬度≥250 HV時，則應(yīng)按照GB/T 11354—2005 的規(guī)定進(jìn)行測定與表示。

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會.GB/T 11354—2005 鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［2］國家工業(yè)和信息化部.JB/T 8538—2011 塑料機(jī)械用螺桿機(jī)筒［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］才鴻年，馬建平.現(xiàn)代熱處理手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］國家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會.GB/T 3307—1999 合金結(jié)構(gòu)鋼［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［5］李學(xué)強(qiáng)，張少鵬.不同基體硬度對氮化層硬度的影響［J］.河南科技，2013(5):63-147.

［6］孔繁宇.工件滲氮后的硬度與其調(diào)質(zhì)硬度之間的關(guān)系［J］.熱處理，2008，23(3):65-67.

［7］李紅革.常用滲氮材料的調(diào)質(zhì)硬度對滲氮層性能的影響［J］.國外金屬熱處理，2005，26(4):26-28.

［8］石來民，盧志明，朱沈瑾，等.激光噴丸參數(shù)對304 不銹鋼表面性能的影響［J］.輕工機(jī)械，2015，33(2):33-36.

［9］國家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會.GB/T 1172—1999，黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.