31CrMoV9钢系列产品氮化的研究
作者：王松明，江苏石川岛丰东真空技术有限公司
管其学，江苏丰东热技术股份有限公司
单位：中国有色（沈阳）冶金机械有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
31CrMoV9钢是欧洲的标准渗氮结构钢，通常用这种材料制造精密的液压活塞、液压活塞杆、连接轴、内齿圈等等不承受重载荷的产品。31CrMoV9钢的特性是高淬透性，渗氮性能优良，经过氮化后表面硬度能够达到800～1000HV10以上。
1.31CrMoV9材料特征
本文所研究材料的成分经过直读光谱仪分析，具体成分见表1。表1中列出了EN 10085:2001氮化钢·交货技术条件中规定的31CrMoV9钢的成分要求以及本文研究工件的材料成分。
表1 材料成分(质量分数)（%)
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C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
V |
|
|
EN10085 |
0.27～0.34 |
≤0.4 |
0.4～0.7 |
≤0.025 |
≤0.035 |
2.3～2.7 |
0.15～0.25 |
0.1～0.2 |
|
试样 |
0.291 |
0.229 |
0.580 |
0.0079 |
0.0210 |
2.5 |
0.179 |
0.139 |
经过调质后的显微组织为回火索氏体，级别为1级，组织见图1。图1中选取的是互相垂直的截面视场，分别为100倍和500倍。可以看到组织为弥散分布的回火索氏体，500倍视场下，铁素体含量小于5%，均可以判为组织1级。由此可以判定，氮化前的调质处理在600～680℃范围内的回火对我们试验的产品来说都能够实现较好的组织条件。
（a）100倍活塞 （b）100倍缸体
（c）500倍活塞 （d）500倍缸体
图1 调质后的工件组织图
2.氮化设备
本次试验采用我公司的VKA-D型真空氮化回火炉，配备氢探头和质量流量计自动氮势控制系统，此套设备还可以配备我公司与上海交通大学联合研制的渗氮专家系统。此套设备具有氢探投与质量流量系统、氮化系统自动控制渗氮过程的能力。该设备炉温均匀性为±5℃，并且能够装备多支载荷热电偶用于对温度的精密监控。该设备还具有真空回火、真空退火、前氧化、后氧化、气体氮碳共渗、脉冲渗氮、水气处理以及多工艺组合处理的能力。图2为VKA-D型真空氮化回火炉外观。
图2 VKA-D真空氮化回火炉外观
3.氮化前处理工艺试验
根据EN 10085：2001 氮化钢交货技术条件，31CrMoV9可以采用退火（+A）或者淬火加高温回火的调质处理（+QT），我们采用机械加工中最常使用调质处理作为氮化的前处理工艺。亚共析钢淬火加热温度根据Ac3+（30~50℃）来确定，结合EN 10085的推荐淬火温度，我们选取910℃的淬火温度。淬火后选取680℃、650℃、630℃、600℃四个不同的回火温度，结果得出的回火温度与回火硬度的数据见图3。
图3 不同回火温度与硬度的曲线
4.氮化工艺试验及数据
我们使用两段法对该材料的数种产品进行氮化处理。对不同调质硬度的31CrMoV9采用如下工艺，检验结果见表2。
工艺一：520℃，Kn=9，保温8h； 550℃，Kn=0.4，保温18h。
工艺二：300℃预氧化1h；520℃，Kn=9，保温8h； 550℃，Kn=0.4，保温18h。
表2 31CrMoV9两种渗氮工艺的检验结果
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氮化层深（550HV1）/mm |
表面硬度（HV10）HBW |
氮化物/级 |
脆性/级 |
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|
工艺一 |
0.225～0.263 |
710～750 |
1～2 |
1～2 |
|
工艺二 |
0.241～0.275 |
950～1018 |
1～2 |
1～2 |
5.试验结果讨论
（1）调质试验
根据调质及渗氮的结果，我们发现31CrMoV9这种材料，随着回火温度的升高，调质硬度逐渐降低，考虑到产品在调质后或者氮化后需要一定程度的机械加工，为了延长刀具的使用寿命，不必追求最大的表面硬度值，如果氮化作为最终处理阶段，则为了最大的表面硬度和最好的耐磨性能，可以选择较高的调质硬度，即采用较低的回火温度。
图4 不同调质基体硬度与有预氧化氮化后的表面硬度关系曲线
根据调质后的显微组织，可以看出，经过不同温度的回火，可以得到不同弥散程度和不同组织级别的回火索氏体。
（2）渗氮试验
对比不同氮化工艺的试验结果，发现预氧化工序能够明显增加氮化后的表面硬度，甚至很容易就可以把最终的氮化硬度提高到1000 HV10以上。根据图4显示的不同调质硬度后的带预氧化工序的氮化表面硬度，可以发现氮化后的表面硬度与调质后的基体硬度呈正比例关系，即氮化后的表面硬度值随着调质后的基体硬度的增加而增加。
通过图5显示的显微组织，我们可以看到第一种工件，键轴的500倍组织的氮化化合物层较厚，达到了12～13μm；而经过预氧化处理的另外两种工件缸体和活塞的氮化化合物层明显较薄，而且化合物也较第一种工件更为致密。经过氮化的缸体和活塞也反应出氮化前调质状态的不同，缸体在调质后仍然存在明显的带状组织，说明此种锻造组织对氮化还是有一定的影响的，可以认为带状组织对氮原子的扩散有一定的阻碍作用，由于锻造的带状部分，会集中有大量的位错，在带状部分也会集中储存有一定的缺陷储存能，会对氮元素的扩散形成阻挡，又由于这些缺陷带并不始终连续存在的，这也就给氮元素的集中提供了可能，形成了断续的氮化物聚集，所以在氮化之前的调质处理中，一定要努力将一些前加工缺陷，尤其是锻造缺陷消除，否则容易形成能量和缺陷集中，而促成氮化物的集中，不利于工件最终的使用性能。
（a）100× （b）500×
（c ）100× （d）500×
（e）100× （f）500×
图5 氮化后的显微组织
6.结语
（1）31CrMoV9的氮化后的表面硬度值在其他状态一致的情况下，调质后的硬度越高，氮化后的表面硬度值越高，即相同淬火温度后，回火温度越高，氮化后的表面硬度值越低，建议根据不同产品的技术要求，选择最佳的调质工艺，以实现最好的效益和最终产品性能的最佳平衡。
（2）31CrMoV9的氮化之前增加预氧化工艺，能够显著提高工件的表面硬度，但是对工件的氮化层深度影响不大。为了提高耐磨性，建议有较高耐磨要求的产品可以在氮化之前，增加预氧化工艺。