汽车曲轴的软氮化技术

汽车曲轴的软氮化技术

为提高曲轴的疲劳强度，许多曲轴生产厂采用了气体软氮化技术（气体软氮化是一种由液体软氮化发展起来的、化学热处理工艺,其实质是以渗氮为主的低温碳氮共渗。它的特点是处理温度低、时间短,工件变形小,质量稳定,不受钢种限制,能显著提高零件的耐磨性、疲劳强度、抗咬合、抗擦伤等性能,同时还能解决液体软氮化中的毒性问题,避免了公害,因而劳动条件好。此外,设备和操作都简单,容易推广。其基本原理是气体软氮化的原理是在530°～580℃的气氛中产生2CO →[C]+CO_2(渗碳)及2NH3→2[N]+3H_2(氮化)反应,使钢铁表面形成氮化物或碳

氮化物。），其中采用这项技术以山东曲轴总厂、潍坊柴油机厂、重汽集团复强动力公司等为典型代表。仅山东曲轴总厂，就拥有连续软氮化生产设备及5-2

型气体软氮化设备近10多台。而重汽集团复强动力公司设备能力达到技术国内最先进、功率最大、装炉量最多，同时比同行业设备更具有节能环保效应。

目前，国内生产曲轴所采用的典型材料为45钢和42CrMoTi。

曲轴气体软氮化与处理其他软氮化零件相类似，其氮化工艺过程一般要经过前清洗、升温、保温、冷却、后清洗等5个阶段，包括出装炉。不同的厂家在气体软氮化工艺上略有不同。

1.前清洗工艺

待处理零件装炉前应通过清洗使零件表面清洁无油，目前采用的主要清洗方法主要有下列方式：高温蒸汽加清洗剂洗涤然后加高温蒸汽漂洗涤、自动清洗机清洗、汽油擦洗。

清洗的好坏将直接影响曲轴的处理质量和延长处理周期。如果曲轴表面脏，处理后的曲轴表面附着很多碳黑，既影响产品外观又影响产品质量。经改进清洗工艺后，处理质量大大提高。据实际经验来看，表面清洁易形成连续的厚度较为均匀的化合物层，反之则不易形成连续和厚度均匀的化合物层。而在气体软氮化时化合物层对硬度、耐磨及抗疲劳性能有较大贡献。本文的第三种方式是在生产条件不具备时的变通方法，仅适用于小规模清洗。

2.预氧化工艺

为保证零件性能的综合要求，在气体软氮化之前一般还需要进行预先热处理，气体软氮化的预热温度一般取400～490℃，保温1h左右，去除工件表面油污、

油脂，并在表面形成一层氧化物，使（合金）氮化物缓慢形成，使深层更加均匀。根据零件易变形程度，选择适当的升温速度并应在预先热处理使组织充分均匀化。

3.软氮化工艺

气体软氮化工艺参数一般为：平均升温速度100℃/h；保温温度为540～570℃；保温时间为3～4h。

（1）软氮化温度的选择范围及控制

对于碳钢或铸铁或低合金钢，人们常采用气体软氮化（低温碳、氮共渗）技术。就大量的实践表明：氮化层的硬度和渗层与温度、时间、浓度有极值关系。在铁氮碳三元相图中，同素异晶转变点略有降低，其等温截面大约降至575℃。当温度高于575℃时，随着温度的升高，渗层和硬度迅速下降，高于600℃时，渗层几乎完全消失。为使有较好的碳、氮共渗效果，气体软氮化的控制温度一般取570℃（高于三元共析点）。表层中形成含氮奥氏体，快冷时形成含氮马氏体，使表面形成高硬度，所以软氮化易采用快冷。软氮化前期（约3h）属强渗阶段，在表层形成高氮势相ε，提高渗速，而后进入扩散阶段，降低表面氮含量，减小脆性。

（2）软氮化工艺气体比例流量

强渗时NH3、CO2、N2时的比例一般为55:5:40，通气量一般为炉堂体积的1.5～2倍。适当提高NH3含量，可以提高渗层；适当提高CO2含量，可以提高

工件表面硬度（若采用HV10测量，则对表面硬度影响的因素是氮前基体硬度，扩散层深度，白亮层硬度。45钢要求氮前基体硬度应＞200HBW）。扩散时NH3、CO2、N2时的比例一般为40:5:55，通气量一般为炉堂体积的1～1.5倍。

炉内氢含量：强渗区氢含量10%～18％以上（新炉氢含量偏低）；扩散区氢含量8%～13％以上（新炉氢含量偏低）。

烘炉工艺：每次新起炉装工件之前应进行空渗,空渗时间6～12h，氢含量达到10％以上。新炉子连续使用一段时间（3个月）后，应进行空渗。温度600℃保温12h以上，只通少量氮气，维持炉压即可（240～300Pa）获得最佳的硬度和渗层。

4.软氮化后冷却工艺

为使曲轴有较好的碳、氮共渗效果，气体软氮化的控制温度一般取570℃（高于三元共析点）表层中形成含氮奥氏体，氮化后快冷时形成含氮马氏体，使表面迅速形成高硬度，所以软氮化易采用快冷。某设备厂商连续软氮化冷却采用油冷却，其设备采用完全自动控制，由推料机构直接从氮化炉体内推到油冷升降台上，自动降到油槽冷却。冷却采用双搅拌冷却，一般快搅取：5～6min，1300r/min。慢搅取：10min左右，750r/min。淋油取5min左右。冷却后一般曲轴都会大小

产生变形，关于变形只要时效处理好（2～4h），均匀升温就可保证变形较小，潍坊柴油机厂的氮化曲轴轴向跳动控制方面做的就比较好。

5.氮化后清洗工艺

处理后零件应通过清洗使零件表面清洁无油，目前采用的主要清洗方法主要有下列方式：高温蒸汽加清洗剂洗涤然后加高温蒸汽漂洗涤；自动清洗机清洗；汽油擦洗。