鏜軸氮化工藝研究

■ 肖靜先

鏜軸是落地式銑鏜床的關鍵核心部件，主要起支撐傳動和傳遞轉矩的作用，其直接影響著機床的精度和壽命。我公司采用38CrMoAl鋼作為鏜軸用鋼，經過氮化處理達到服役條件，要求鏜軸氮化后的表面硬度盡可能高，變形盡可能小。為獲得較好的氮化硬度及氮化層深度，分別采用等溫氮化、二段氮化及三段氮化工藝進行試驗，研究氮化溫度及時間等參數對鏜軸氮化質量的影響，找出鏜軸氮化最優的工藝。

1. 鏜軸工件的技術要求

鏜軸的工藝要求為：氮化層深度0.5mm，硬度900HV，氮化彎曲（振擺）小于0.2mm。鏜軸的工藝路線為：鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→去應力退火→粗磨→半精磨→氣體氮化→精磨。

圖1為某一型號落地式銑鏜床鏜軸結構示意。

鏜軸材料為38CrMoAl鋼，初始組織為鍛態，其化學成分如表1所示。

2. 三種氮化工藝試驗

隨機抽取生產上的鏜軸進行試驗，并對鏜軸進行化學成分分析，確保鏜軸的化學成分在國標范圍之內。在調質后的鏜軸上切取長方體的試塊（見圖2），并與鏜軸同爐氮化，每爐放1件鏜軸與3件試塊。

三種氮化工藝曲線如圖3～圖5所示。

采用三種氮化工藝的鏜軸硬度結果如表2所示，氮化后的顯微組織分別如圖6～圖8所示。

采用等溫氮化工藝時，鏜軸表面氮化硬度很高，均值達到了1115HV，完全符合產品工藝要求。但是由于氮化溫度較低（500℃），滲層深度為0.48mm，處于工藝要求的下限。鏜軸的變形較小，其振擺小于0.10mm。

圖1 鏜軸結構示意

圖2 氮化試塊形狀

表1 38CrMoAl的化學成分（質量分數） （%）

圖6為等溫氮化獲得的鏜軸微觀組織。由圖6a中可以觀察到，鏜軸表面分布著白色針狀氮化物和均勻細小氮化索氏體。圖6b為鏜軸的截面組織，可以看出，最表面有一層白色針狀氮化物，次表層為氮化索氏體，脈狀氮化物為2級。

采用二段氮化工藝時，鏜軸表面氮化硬度在1045HV左右，氮化層深度為0.61mm，氮化后鏜軸變形小于0.15mm。因此，二段氮化后，鏜軸的檢測結果都在工藝要求范圍內。

圖7為鏜軸二段氮化后的微觀組織。鏜軸氮化后的表面組織如圖7a所示，主要為均勻細小氮化索氏體。鏜軸氮化層的截面組織見圖7b，最表面有一層白色針狀氮化物，次表層為氮化索氏體，脈狀氮化物為2級。

采用三段氮化工藝時，滲層深度高于工藝要求，達到了0.65mm。由于氮化溫度較高（550℃），導致鏜軸表面氮化硬度偏低，為940HV。另外，鏜軸的變形較嚴重，大于0.20mm，超出了工藝允許的范圍（≤0.20mm）。

圖8為三段氮化獲得的鏜軸微觀組織。從圖8a中可以看到，鏜軸表面組織為均勻細小氮化索氏體。圖8b為鏜軸氮化層的截面組織，最表面有一層白色針狀氮化物，次表層為氮化索氏體，脈狀氮化物為3級，對于重要零件要求脈狀氮化物小于3級。

3. 試驗結果分析

通過對鏜軸（38CrMoAl鋼）進行不同工藝的氣體氮化，經檢測氮化后的硬度、滲層深度及變形量，觀察微觀組織形態，得到如下結論：

（1）隨著氮化溫度的升高，鏜軸氮化硬度逐漸降低，滲層深度逐漸增厚，而變形逐漸增大。

（2）采用等溫氮化工藝時，由于氮化溫度較低（500℃），滲層深度在0.45mm左右，處于工藝要求的下限。采用三段氮化工藝時，由于氮化溫度較高（550℃），鏜軸表面氮化硬度較低，為940HV，并且鏜軸的變形較嚴重，振擺大于0.20mm，不符合工藝要求。三段氮化后鏜軸組織中脈狀氮化物為3級。

圖3 鏜軸等溫氮化工藝曲線

圖4 鏜軸二段氮化工藝曲線

圖5 鏜軸三段氮化工藝曲線

圖6 鏜軸等溫氮化后的微觀組織

圖7 鏜軸二段氮化后的微觀組織

表2 鏜軸三種氮化工藝結果

（3）采用二段氮化工藝時，鏜軸表面氮化硬度、滲氮層深度及變形程度都在工藝要求的范圍內。即第一段溫度為500℃，第二段選擇為525℃；第一段的時間為20h，第二段的時間為60h，總體氮化時間為80h；第一段氨分解率為18%~25%，第二段氨分解率為25%~35%；二段氮化后鏜軸表面組織為均勻細小氮化索氏體；截面組織，最表面有一層白色針狀氮化物，次表層為氮化索氏體，脈狀氮化物為2級。

圖8 鏜軸三段氮化后的微觀組織