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作者：张东，张立平

单位：滨州海得曲轴有限责任公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

曲轴是发动机最主要，也是受力情况最复杂的零部件之一，工作中主要承受交变弯曲和扭转载荷，这些载荷不仅数值大，而且呈周期性变化，容易引起曲轴发生弯曲疲劳破坏和轴颈磨损，对曲轴进行气体氮碳共渗处理可显著提高曲轴的弯曲疲劳强度和轴颈的耐磨性，是一种普遍应用的曲轴强化热处理方式。但在工艺过程中也会带来一些质量问题，曲轴尺寸“肿涨”就是比较突出的问题之一。本文通过对曲轴气体氮碳共渗后“肿涨”规律的调查、原因分析，提出了几点纠正措施，使该问题得到了有效解决。

1.试验结果及统计分析

气体氮碳共渗，就是向钢铁工件表面同时渗入氮、碳元素，但以渗氮为主的表面化学热处理工艺，介质为氨气或氮气，以酒精作催化剂，以下简称氮化。针对曲轴氮化后尺寸“肿涨”问题，制订现状摸底方案：在氮化工艺不变的条件下，随机抽查两炉曲轴，在氮化前测量全部主轴颈、连杆颈尺寸，氮化并正常抛光后测量轴颈同一位置的尺寸，统计氮化前后尺寸变化量；根据变化量找出规律，制定相应的措施。

试验曲轴为某型号四缸曲轴，如图1所示，图样要求主轴颈尺寸为

总长为mm。曲轴材质为QT-3，珠光体要求≥85%，渗碳体≤2%。氮化工艺：℃保温6小时、介质为氨气、酒精为催化剂，炉内压力保持在80～mm水柱。氮化要求：氮化层≥0.10mm、化合层0.～0.02mm、纤维硬度HV0.1≥。设备为井式电阻炉SL-，炉膛工作尺寸为φ1mm×mm；每炉40支，双层装，以便充分利用炉内的有效空间，控制曲轴之间的间隙为20～40mm，均匀有序放置。

图1某型号四缸球铁曲轴

跟踪两炉80支曲轴氮化前后的尺寸变化情况，测量主轴颈氮化前后的变化量，如表1所示。由表1的统计分析结果可得：本炉产品氮化前平均尺寸φ80mm-0.mm；本炉产品氮化后平均涨0.左右；氮化“肿涨”波动范围较大，氮化层为0.15mm；化合层0.mm。“肿涨”使轴颈尺寸超出设计公差的约50%；通过返修使之符合图样要求，增加制造成本，且破坏了化合层。

表1调整前氮化变形量

项目

状态

主轴颈

备注

平均尺寸

尺寸公差范围

本统计结果为尺寸公差值

氮碳共渗前尺寸

-0.0

-0.～+0.

氮碳共渗后尺寸

+0.

－0.～+0.

氮碳共渗尺寸加

+0.

+0.～+0.

2.曲轴氮化“肿涨”原因分析

钢铁工件基体，一般是由游离的α铁素体、珠光体即α铁素体和碳三铁的机械混合物等组成的多项组织。α铁素体是溶入碳和其他元素的晶体点阵为体心立方的铁的固溶体。渗氮就是氮元素溶入α铁素体后与铁及合金元素形成含氮的固溶体及氮化物的过程（氮化层各组成相：α≤0.11%，γ≤2.8%，γ＇为5.7%～6.1%，ε为4.55%～11.0%，ξ为11.1%～11.35%）。这一过程会引起晶格畸变，一方面起到固溶强化作用，另一方面会造成体积涨。

氮化后曲轴的“肿涨”是由于轴颈表面吸收了大量的氮原子，形成含氮的固溶体及各种氮化物，引起工件表层原始组织的点阵常数增大所致，宏观上则表现为表层体积的略微增加。氮化后曲轴的“肿涨”是一种普遍现象，与氮化层深度有一定的比例关系，是氮化层深的3%～4%；肿涨量也与轴颈表层的吸氮量有关，主要是化合层的氮的浓度，氮化层组织见图2所示。

图2轴颈表面氮化层

氮化层对曲轴表面来说，起到耐磨作用的是化合层，它非常致密、硬度高，并且耐蚀，扩散层是过渡层，对确保氮化层有良好的硬度梯度，所以在氮化过程中，两者缺一不可。

3.采取以下“肿涨”的防止措施

影响吸氮量的因素均是影响“肿涨”的因素，而氮化效果与工艺温度、时间、介质、炉内压力都有直接关系；既要获得合理的氮化层，又要控制好轴颈的变形量，使之符合要求，那么应从工件来料的组织要求、工件的尺寸要求、工艺参数等几个方面进行考虑，以制定合理的技术方案。

（1）对工件组织的要求

氮渗入基体组织的铁素体中形成含氮的铁素体或与铁元素形成含氮的固溶体，所以控制基体组织中的游离铁素体含量，也可控制渗入氮的浓度，从而控制变形量离子氮化前的基体组织中游离的α铁素体不大于5%。

（2）对工件尺寸的要求

获得理想的氮化层，引起“肿涨”是必然的现象，那找出其规律，把氮化前的尺寸预留“肿涨”量，以抵消氮化后的“肿涨”量，使之满足图样要求。把主轴颈图纸要求的

（3）工艺参数的要求

温度的提高和时间的延长、氮化气氛的增加，工件的氮化深度就增加。根据气体氮化技术标准知道，当氮化温度一定时，保温氮化2.5～4h后，再延长时间对氮化层深已不起作用，只增加化合层的深度和浓度，所以控制保温时间也很关键。

温度的提高和氮化层厚度成一定的正比。现象表现为随着温度的提高氮化物从表面移动到心部速度家加快，容易获得好的扩散层。所以重新优化工艺方案：℃保温氮化2.5h（为获得合理的扩散层）→降至℃氮化共2h（为获得好的化合层），炉内压保持在80～mm水柱。

（4）控制装炉量

按氮碳共渗吊具设计的装轴位置放置曲轴，严格控制装炉量，保证适当的间隙，有利于炉气的气氛循环和温度的均匀化，不允许塞得过满。

（5）控制工艺过程的稳定性

按工艺规定严格控制保温温度、时间、炉内压，以及氨气和酒精在升温、保温过程的流量，这是获得理想氮化层的关键。

氮化炉罐一般常用0Cr18Ni9不锈钢，Cr元素特别容易与氮形成化合物，在长期的氮化过程中吸附大量的氮，在之后氮化过程中又影响氮化炉内的氮势，使工艺过程不稳定，所以必须定时对炉罐、料框、吊具进行退氮处理，以保证工艺过程氮势的稳定性。

通过采取以上措施，对随后生产的5炉产品进行了跟踪，测量曲轴氮化前后的尺寸和曲轴氮化层质量的检验，检测结果如表2所示。氮化抛光后尺寸范围能满足曲轴设计公差范围；曲轴本体氮化层深度为0.13～0.15mm、化合层0.～0.mm，满足图样对氮化层的要求。

表2调整后氮化变形量

项目

状态

主轴颈

备注

平均尺寸

尺寸公差范围

本统计结果为尺寸公差值

氮化前尺寸

-0.2

-0.～+0.

氮化后尺寸

-0.

-0.～+0.

氮化后尺寸加

+0.6

4.结语

曲轴氮化在获得好的氮化层时，会后引起轴颈“肿涨”，如控制不好，会造成返工返修、破坏氮化层、生产效率低下。但这种现象它是有规律可循，分析造成“肿涨”的原因并找出规律，针对其制定相应的措施，并在执行过程中严格操作，就会很好的实现工艺效果。实践证明，曲轴氮化前尺寸的预留肿涨量、气体氮化工艺流程的优化等方案是合理的，且它的可操作性和工艺过程的稳定性，是保证氮化质量、轴颈“肿涨”不超差的关键。

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