31CrMoV9鋼調質與氣體氮化工藝研究

胡 柯

（中航力源液壓股份有限公司，貴州 貴陽 550018）

主軸是液壓泵柱塞泵的關鍵零件之一，對零件表面的接觸疲勞強度和耐磨性能要求較高，對芯部也有較高的強度要求。因為該零件尺寸較大，需選用淬透性較好的鋼。首先對零件進行預備熱處理，粗加工后再進行最終熱處理。預備熱處理一般采用調質，最終熱處理可以采用表面淬火和化學熱處理等[2]。31CrMoV9鋼是具有良好淬透性的中碳合金鋼，在我國未普遍應用。為拓展摩擦副的選材，本次生產選用31CrMoV9材料研制新產品的主軸。在國內，關于31CrMoV9可以查閱的資料不多，本工作通過多次試驗，研究了31CrMoV9鋼的調質和氣體氮化兩部分熱處理工藝特性。

1 31CrMoV9鋼的化學成分

31CrMoV9 鋼的化學成分（質量分數）：C 為0.27%～0.34%，Si ≤0.4%，Mn 為0.4%～0.7%，S ≤0.035%，P ≤0.025%，Cr 為2.3%～2.7%，Mo 為0.15%～0.25%，V 為0.1%～0.2%。

2 31CrMoV9鋼的力學性能

31CrMoV9鋼調質后的力學性能見表1。

表1 調質后31CrMoV9鋼的力學性能

3 熱處理工藝試驗及試驗結果

3.1 調質工藝試驗

設計要求主軸的中心硬度為（28～35）HRC，試驗時，試驗件的中心硬度要求也為（28～35）HRC。

31CrMoV9鋼的含碳量在0.27%～0.34%，屬亞共析鋼，其AC1點為780℃，AC3點為820℃。一般情況，亞共析鋼的淬火溫度選取按AC3+（30～50）℃的規定，淬火溫度可在850～870℃。但由于試件尺寸較大，且根據英國標準EN 10085—2001《氮化鋼技術條件》中推薦的31CrMoV9淬火溫度為870～930℃。因31CrMoV9材料在英國使用成熟，采用了EN 10085-2001標準中推薦的淬火溫度，選擇910℃進行淬火，回火溫度分別采用620℃、625℃、630℃、635℃、640℃[1]。使用箱式電阻爐進行淬火回火試驗，調質參數方案見表2。

表2 調質工藝參數

3.2 試驗結果

調質后加工試樣檢查其抗拉強度、延伸率、斷面收縮率和硬度，試驗結果見表3。

表3 調質試驗結果

通過對表3與表4的對照可以看出，隨著回火溫度的升高，31CrMoV9鋼調質后的硬度與抗拉強度均呈現出明顯的線性下降趨勢，而延伸率與斷面收縮率均呈現出明顯的線性上升趨勢，并且相鄰調質方案中回火溫度的跨度僅為5℃，綜上可以確定31CrMoV9的熱敏性較高，并且31CrMoV9鋼在不同回火溫度下的金相組織均為細小索氏體，并且分布均勻，可以確定回火溫度對31CrMoV9鋼的金相組織無較大影響

表4 31CrMoV9井式氮化爐氮化試驗記錄

3.3 氣體氮化工藝試驗及結果

3.3.1 井式爐氮化爐氣體氮化工藝試驗

本次試驗采用了一段式和多段式的氣體氮化工藝。共試驗了六組氣體氮化參數，氮化試件經過“910℃×2 h+635℃×3 h”調質處理。井式爐氮化爐氣體氮化工藝試驗結果見表4。

由表4可以看出，31CrMoV9鋼通過井式氮化爐氮化后，氮化層深度與氮化時間有明顯聯系，氮化時間越長氮化層深度越深，并且時間與深度的關系近似于1 h 對應深度0.01 mm，表面硬度則與氮化溫度有明顯聯系，氮化溫度越高則表面硬度越低，但白層厚度并未因溫度與時間的改變產生較為明顯的變化，3組測試中白層厚度均穩定保持在0.006～0.0010 mm，白層未出現過厚情況，對零件的后續加工不會產生較大影響。同時31CrMoV9鋼經井式氮化爐氮化后，其氮化層組織也較為穩定，均呈網狀，分布較為均勻。因此參數①更適宜加工表面硬度要求較低但氮化深度要求較高的零件，參數②則適宜表面硬度及氮化層深度要求均較高的零件，參數③因加工時間較短，在能滿足表面硬度與氮化層深度要求的前提下采用參數③可提升效率，降低生產成本。

3.3.2 CRV（N）-514-E真空氮化爐氮化工藝試驗及結果

采用多段式的氮化工藝，對31CrMoV9鋼的鍛件試樣和普通鋼元試樣進行了氮化處理。氮化試件經過“910℃×2 h+635℃×3 h”調質處理。本輪共進行了三次試驗，氮化參數及氮化結果見表5。

表5 CRV（N）-514-E真空氮化爐氮化試驗記錄

通過表5可以看出，真空氮化爐加工的零件在表面硬度與氮化深度均優于井式氮化爐，并且需著重注意，在氮化層δN=0.3 mm 時，經真空氮化爐加工的零件其硬度均≥530 HV，說明由δN=0.3 mm 之前的氮化層組織硬度均較高，隨著氮化層深度的增加硬度降低并不明顯。由此可以得出，通過真空氮化爐加工的零件的耐磨性更好。同時，由表5還可以看出，31CrMoV9鍛件與普通31CrMoV9鋼元經氮化處理后31CrMoV9鍛件的表面硬度與氮化層深度均優于普通31CrMoV9鋼元，同時兩者白層厚度并無明顯差異，因此若生產表面硬度與氮化層深度要求較高的零件可考慮使用31CrMoV9鍛件進行生產。

3.4 氮化層組織

31CrMoV9鋼氮化后，氮化層基本存在網狀氮化物，但分布較為均勻。

4 結果分析與討論

1）采用910℃，保溫2～3 h，水冷，再使用630～640℃保溫2～3 h，空冷。使用該參數對31CrMoV9鋼調質處理，可以滿足設計圖要求的中心硬度28～35HRC，且金相組織為細小索氏體，組織分布均勻。

2）31CrMoV9 鋼氣體氮化后，普通鋼元的表面硬度集中在750HV0.2～800HV0.2，鍛件的表面硬度集中在840HV0.2～870HV0.2。與38CrMoAlA 相比，硬度偏低。使用相同的參數氮化后，38CrMoAl 硬度可達900HV0.2 左右。但31CrMoV9 氮化后白層均可控制在0.01 mm 以內，38CrMoAl 的白層深度通常控制在0.025 mm 以內為佳[4]。

3）31CrMoV9鋼氮化后表面硬度偏低應該與其所含的合金元素有關。因為中碳鋼中加入一些合金元素，可提高工件氮化后的表面硬度，不同合金元素對氮化硬度的貢獻是不同的。合金元素對氮化后提高表面硬度的貢獻從大到小依次為Cr、V、Mo、Mn、Si[3]。

4）31CrMoV9 鍛件氮化后的表面硬度比普通31CrMoV9 鋼元氮化后的表面硬度稍高，原因可能是鍛件自身的組織相對致密，氮化過程中形成的氮化物也相對致密，故31CrMoV9 鍛件氮化后比普通31CrMoV9鋼元氮化后表面硬度略微提高。

5）31CrMoV9材料對回火溫度具有較高的敏感性。31CrMoV9材料的回火溫度從640℃降低到620℃時，硬度則從28HRC 上升到39HRC，回火溫度降低20℃，硬度上升11HRC；而38CrMoAlA 材料的回火溫度從660℃降低到600℃時，硬度則從29HRC 上升到34HRC，回火溫度降低60℃，硬度上升5HRC[5]；25Cr3MoA 材料的回火溫度從640 ℃降低到530 ℃時，硬度則從27HRC 上升到35HRC，回火溫度降低110℃，硬度上升8HRC。

6）31CrMoV9 氣體滲氮速度相對較快，保溫40 h，滲層深度可達到0.4 mm 左右

5 結論

1）采用910 ℃，保溫2～3 h，水冷，再使用630～640℃保溫2～3 h，空冷。可以滿足設計圖要求的中心硬度28HRC～35HRC。

2）氣體氮化后，普通鋼元的表面硬度集中在750HV0.2～800HV0.2，鍛件的表面硬度集中在840HV0.2～870HV0.2。

3）31CrMoV9 鍛件氮化后的表面硬度比普通31CrMoV9鋼元氮化后的表面硬度稍高。

4）31CrMoV9材料對回火溫度具有較高的敏感性。

5）31CrMoV9 氣體滲氮速度相對較快，氮化保溫40 h，滲層深度可達到0.4 mm 左右。

6）31CrMoV9 鋼經調質與氮化之后，芯部具有較高的強度，同時該材料也有較高的疲勞強度、耐磨性與淬透性，適宜在大型工件上使用。