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2. 常州大学 材料科学与工程国家级实验教学示范中心，江苏 常州，213164
2. National Experimental Demonstration Center for Materials Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, Jiangsu
锥盘是变速器传动装置的重要零件，改善锥盘性能可以提升变速器整体性能，从而提高汽车操控驾驶舒适性、稳定性和燃油经济性等[1-2]。工业生产中38CrMoAl钢为锥盘常用材料。由于锥盘在工作过程中会受到链条销轴的啮合冲击力与摩擦作用，通常需要对其进行表面改性处理以获得较高的表面硬度、强度和耐磨性[3-4]。
离子渗氮技术由于污染小、效率高、易操作等优点成为常用的表面改性方法[5-7]。但是，工厂目前采用普通离子渗氮(540 ℃、N2∶H2=1∶3)方法处理后的38CrMoAl锥盘表面有一层硬而脆的白亮层，在与链条销轴的啮合过程中容易开裂进而脱落，降低了变速器的耐久性和可靠性，影响其使用寿命与传动效率[8]。氮化白亮层主要是由γ'-Fe4N和ε-Fe2-3N相中的一相或两相组成[9]，有研究报道指出其生成需要一定的热力学条件[10-11]，在较低温度下进行离子渗氮可有效控制白亮层的生成。但是，38CrMoAl锥盘采用低温离子渗氮后表面硬度较低，渗层较浅。此外，还可通过调节渗氮气氛中氮氢比来控制白亮层的生成。
文中提出通过在锥盘常用渗氮温度下降低氮氢比，使锥盘经离子渗氮后表面无白亮层生成，只形成性能优良的扩散层，改善38CrMoAl钢变速器锥盘表面硬度和耐磨性，从而实现提高变速器耐久性和可靠性的显著效果。
1 材料与方法选用锥盘常用的38CrMoAl钢作为试验材料，其各元素的质量分数分别为：0.35%~0.42% C；1.35%~1.65% Cr；0.15%~0.25% Mo；0.30%~0.60% Mn；0.70%~1.10%Al，余量为Fe。利用线切割将试样加工成10 mm×10 mm×5 mm的大小，再对其进行调质处理（调质工艺：930℃油淬，600 ℃回火）。将调质处理后的试样依次用6.5~61 μm（240~2 000 目）的SiC砂纸进行研磨抛光，最后置于无水乙醇中进行超声波清洗，并吹干待用。
采用LD-8CL型直流等离子体渗氮炉对制备好的试样进行渗氮处理，将炉压抽至15 Pa左右，通入氢气溅射30min（有加热、清洁试样表面的作用）；当温度升至设定数值时，同时通入一定比例的N2和H2进行离子渗氮。设定离子渗氮温度分别为520、540和560 ℃，N2和H2的比例分别为1:3、1:4、1:5，保温6 h，炉压保持450 Pa。达到保温时间后，关闭渗氮炉，试样炉冷至室温。
试样渗层横截面组织、物相分别采用金相显微镜和X射线衍射仪进行观察及分析；利用维氏显微硬度计对横截面硬度梯度进行测量，加载载荷50 g，加载时间15 s，测量5次后取平均值；分别采用50 g和200 g的载荷对渗氮后试样进行表面脆性分析；利用摩擦磨损试验机测量试样耐磨性，加载载荷200 g，转速200 r/min，对磨时间30 min，旋转半径2 mm，选用半径2 mm的GCr15小钢球作为对磨球，试验在室温下进行。
2 结果与分析 2.1 渗层的显微组织及相结构图1为38CrMoAl钢经不同工艺离子渗氮6 h后的显微组织图。从图1(a)(d)(g)可以看出，38CrMoAl钢经N2∶H2=1∶3不同温度离子渗氮后都会产生白亮层，且其厚度随着渗氮温度的升高而增加。当N2∶H2=1∶4、N2∶H2=1∶5时，较常规离子渗氮(N2∶H2=1∶3)，38CrMoAl钢经不同温度离子渗氮后无白亮层或厚度减薄，由此说明可以通过调控渗氮气氛中氮含量来控制白亮层的生成。从图1(c)(f)(g)可以看出，当N2∶H2=1∶5时，38CrMoAl钢经520 ℃和540 ℃离子渗氮后都无白亮层生成，经560 ℃离子渗氮后生成较薄白亮层，说明当氮含量一定时，可通过降低渗氮温度控制试样表面白亮层的生成。同时，对比图1(e)(f)可以看出，在较高温度下降低氮氢比也可获得无白亮层工艺。
图2为38CrMoAl钢经不同工艺离子渗氮6 h后XRD衍射图。从图中可以看出，38CrMoAl钢离子渗氮后都出现了CrN和AlN衍射峰。当离子渗氮温度为540 ℃时，38CrMoAl钢经N2∶H2=1∶3和N2∶H2=1∶4渗氮后，渗层中都检测到γ'-Fe4N相的衍射峰。而经520 ℃，N2∶H2=1∶4和540 ℃，N2∶H2=1∶5离子渗氮后，γ'-Fe4N相的衍射峰消失，只形成α相和合金渗氮物，即无白亮层生成，只形成了渗氮扩散层。当升高渗氮温度至560 ℃时，在较低含氮量(N2∶H2=1∶5)离子渗氮后，γ'-Fe4N相衍射峰重新出现，即试样渗层表面有白亮层生成。
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| 图 1 38CrMoAl钢经不同工艺参数离子渗氮处理后的显微组织 Figure 1 Cross sectional microstructure of 38CrMoAl steel after plasma nitriding under different conditions |
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| 图 2 38CrMoAl钢经不同工艺参数离子渗氮后XRD图谱 Figure 2 XRD patterns of 38CrMoAl steel after plasma nitriding under different conditions |
图3为38CrMoAl钢经不同工艺离子渗氮的横截面硬度。从图中可以看出，38CrMoAl钢经离子渗氮处理后表面硬度明显提高。在所选择的试验条件中，温度为540 ℃，N2∶H2=1∶5离子渗氮后，38CrMoAl钢表面硬度最高，这是因为该工艺条件渗氮处理后，试样表面形成了较厚的扩散层，扩散层中弥散分布的合金氮化物使其具有较高硬度。而在较高温度560 ℃渗氮处理后试样，因为渗氮温度高引起氮化物聚集长大，降低了渗氮层表面硬度。同时可见，较低温度520 ℃离子渗氮虽然不形成白亮层，但表面硬度和相应层深的截面硬度都明显低于其它温度离子渗氮。由此可知，温度为540 ℃，N2∶H2=1∶5离子渗氮后，38CrMoAl钢在不生成白亮层的前提下能获得较高的表面硬度。
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| 图 3 38CrMoAl钢经不同工艺参数离子渗氮的横截面硬度 Figure 3 Cross section microhardness of 38CrMoAl steel after plasma nitriding under different conditions |
图4为38CrMoAl钢经不同工艺离子渗氮后试样表面在不同载荷下压痕的显微形貌。从图中可以看出，38CrMoAl试样经540 ℃、N2∶H2=1∶4和560 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮后，在较小的载荷下压痕周围都出现了严重的开裂，且载荷越大压痕开裂越明显。而从图(b)可以看出，经540 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮的试样即使在较大载荷下，压痕周围无裂纹存在。这是因为经540 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮的试样表面无脆性白亮层生成，表现出更好的韧性，锥盘质量提高。
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| 图 4 38CrMoAl钢经不同工艺参数离子渗氮后在不同载荷下的压痕形貌 Figure 4 Indentation morphologies of 38CrMoAl steel after plasma nitriding under different conditions |
图5和图6为38CrMoAl钢不同工艺离子渗氮后摩擦因数及对应磨痕表面的显微形貌。从图5可以看出，38CrMoAl钢经540 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮后平均摩擦因数最小。从图6(b)可以看出，试样的磨痕表面几乎没有粘着物且磨损坑较窄，对比图6(a)(c)可以看出，试样经540 ℃、N2∶H2=1∶4和560 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮后试样的磨痕表面出现了大量的粘着物与破碎物，且磨损坑较宽。这是因为经过这两种工艺处理后的试样表面都存在白亮层，白亮层在较大载荷下发生破碎，破碎的白亮层来不及脱落而形成细小的磨粒，加剧磨球和试样之间的磨损。而经540 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮后的试样磨痕表面没有粘着物且磨损坑较窄，耐磨性提高。
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| 图 5 38CrMoAl钢经不同工艺参数离子渗氮后的摩擦因数 Figure 5 Friction coefficient of 38CrMoAl steel after plasma nitriding under different conditions |
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| 图 6 38CrMoAl钢经不同工艺参数离子渗氮后的表面磨损形貌 Figure 6 Micrographs of wear tracks on 38CrMoAl steel after plasma nitriding under different condition |
渗氮材料在特定温度下都存在生成白亮层(γ'-Fe4N或ε-Fe2-3N相)的最低氮势，即临界氮势[11-12]，临界氮势值取决于渗氮温度及基材种类。当材料一定时，渗氮温度越高，形成白亮层的临界氮势越低，当渗氮气氛的氮势超过这个临界值时就会形成白亮层。同时，提高气氛中氢气含量，可以有效还原氮化物，抑制白亮层的形成[11]。结合图1可知，在渗氮温度为540 ℃时，较低氮势(N2∶H2=1∶5)离子渗氮6 h后，无白亮层生成。结合图2，该工艺条件下无γ'-Fe4N相和ε-Fe2-3N相生成。
因此，试验和生产中可通过调节渗氮气氛的氮氢比实现氮势的调节，从而可根据产品组织性能设计要求达到对是否需要形成白亮层的有效控制。在较高温度下渗氮，渗氮速率高，但需要降低气氛中含氮量，使其低于该温度下产生白亮层的临界氮势，避免生成白亮层，只形成具有优良性能的扩散层。研究发现，38CrMoAl钢520 ℃和540 ℃离子渗氮的临界氮氢比分别为1∶4和1∶5，560 ℃的临界氮氢比低于1∶5，课题组将进一步开展不同离子渗氮温度对应临界氮氢比的系统性研究。
4 结 论(1) 通过调节渗氮温度或氮氢比可控制白亮层的生成，当渗氮温度或N2∶H2逐渐降低时，白亮层逐渐消失。
(2) 38CrMoAl钢经不同渗氮温度，不同氮氢比离子渗氮处理后渗层均有CrN相和AlN相生成，这是扩散层硬度高的主要原因。经540 ℃、N2∶H2=1∶5离子渗氮工艺处理后无γ'-Fe4N相，表面不存在白亮层，只形成了渗氮扩散层；
(3) 38CrMoAl钢经渗氮温度为540 ℃，N2∶H2=1∶5离子渗氮后能在不生成白亮层的前提下获得较高的表面硬度；在试验载荷下，表面压痕周围均无裂纹出现，具有较好的韧性，且耐磨性得到明显提高。
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