40Cr鋼變速箱副箱錐環支板（簡稱錐環支板）是變速箱中的重要精密零件，服役承載時承受較大的載荷和摩擦，需對錐環支板內齒進行強化，表面硬度要求≥50HRC，錐環支板的精度要求也較高，技術要求為：齒度變形≤0.08mm，平面變形≤0.1mm。
現生產過程中，某主機廠發現離子氮化后的錐環支板內齒質量合格，但錐環支板的平面變形度較大，實際測得變形均大于0.15mm，需要通過后續的精磨工序加以校平，額外增加了生產成本，且生產效率較低。
研究發現導致錐環支板變形較大的原因在于錐環支板在爐內擺放方式不合理，錐環支板與氮化爐底面直接接觸，氮化爐底面因為長期使用發生變形或是爐內有雜質、坑洼等缺陷都會導致堆疊在爐內的錐環支板處于一個非水平狀態，錐環支板的堆疊將會發生偏移而錯亂，加熱過程中錐環支板因堆放錯亂上下受力不均和加熱及冷卻不均而產生變形，因此，設計相應的工裝改善錐環支板在氮化爐內的擺放形式尤為必要。
文中主要介紹了改善后的離子氮化工藝以及QPQ熱處理工藝對錐環支板的熱處理效果，分析了這兩種工藝的經濟成本。
1.試驗工藝及參數
（1）離子氮化工藝
關于離子氮化的原理以及優勢在之前論文中也有詳細介紹，在此不再贅述。工裝設計對改善錐環支板在氮化爐內的擺放形式很有必要，圖1a所示為所設計的三腳架工裝的簡圖，工裝的上表面經過機械精加工，平整度較高，三角支撐結構十分穩固，中間采用空心結構保證爐內的氮化氣氛更好地流通，從而使工裝上不同高度位置的錐環支板內齒都能均勻氮化。圖1b所示為錐環支板在工裝上的擺放形式，水平整齊堆疊，避免錐環支板上下受擠壓力不均而變形，裝爐量根據爐子的容量大小而定。氮化加熱過程中控制電壓、電流大小，緩慢升溫至（500±20）℃，保溫4h，爐冷，以獲得理想的氮化層深和氮化組織，同時可以減小變形。
（2）QPQ工藝
QPQ工藝既鹽浴復合處理技術，“鹽浴復合”是指在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件，實現了滲氮工序和氧化工序的復合，QPQ熱處理工序為：預熱→氮化→氧化→拋光→氧化。各工序的作用如下：
預熱：烘干工件表面的水分，以防工件帶水入爐引起鹽浴濺射以及冷件入爐引起鹽浴溫度下降太多。并且預熱一定程度上可以減少工件變形和使工件色澤均勻。
滲氮：QPQ熱處理的核心工序。滲氮過程中滲氮鹽內的氰酸根分解產生活性氮原子滲入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蝕性很高的化合物層和耐疲勞的擴散層。
氧化：徹底分解工件從滲氮爐帶出的氰根（CN-），避免污染；在工件表面形成黑色氧化膜，增加工件防腐能力，對提高耐磨性也有一定作用。
拋光再氧化：去除氮化層外面的疏松層，補充工件表面氧的含量，進一步提高金屬表面的耐蝕性和耐磨性，同時可以達到美化外觀的目的。
綜上所述，QPQ的技術優勢主要如下：QPQ處理后的工件擁有極高的耐磨性、良好的耐疲勞性、極好的抗蝕性、極小的變形，QPQ技術綠色環保、技術成本低，這也正是本次試驗采用QPQ工藝的原因。本次試驗的QPQ工藝參數為：預熱溫度350～400℃，時間15min；氮化溫度570℃，時間2.5h；氧化溫度400℃，時間15min。圖2a所示為QPQ處理所用設備，QPQ處理過程中，由于僅需內齒強化，所以錐環支板采用螺栓連接在一起，以防整個支板平面被氮化處理，圖2b所示為QPQ處理后的錐環支板樣件，可以看出QPQ處理后的錐環支板內齒十分美觀。
2.試驗結果及分析
離子氮化處理后的錐環支板金相檢測結果如圖3所示。其氮化層是由表面白亮層和擴散層組成，圖3a所示為低倍下表面白亮層和擴散層的金相照片，可以看出表面白亮層的厚度是比較均勻的。測得硬化層的層深為0.28mm，白亮層深度為8μm，表面硬化層的硬度為530～540HV。其中表面氮化層的金相組織如圖3b所示，其組織由含氮的板條馬氏體+屈氏體團+回火索氏體+少量鐵素體組成。采用專用量具測得內齒的圓度變形為0.05～0.07mm，支板平面變形度均值為0.07mm，滿足變形技術要求。綜上述分析，改善后的離子氮化工藝獲得了質量合格的錐環支板。
QPQ工藝處理后的錐環支板金相檢測結果如圖4所示。其氮化層由圖4a所示的表面氧化層和白亮層以及擴散層組成，可以看出其氧化層和白亮層也是比較均勻的。測得硬化層層深為0.27mm，氧化層深度為6um，白亮層深度為10μm，表面硬化層硬度為520～530HV。圖4b所示為表面氮化層的組織，可以看出表面氮化層的組織由含氮的板條馬氏體+回火索氏體+少量鐵素體組成。采用專用量具測得內齒的圓度變形為0.04～0.06mm，支板平面變形度均值為0.04mm，滿足變形技術要求，且變形度小于離子氮化處理的工件。綜上述分析，QPQ工藝處理的工件滿足質量技術要求，且優于離子氮化工藝處理的工件。
3.離子氮化以及PQP工藝成本對比
結合上述試驗結果可得離子氮化和QPQ工藝均能獲得組織、硬度、變形量合格的錐環支板，這兩種技術也同屬綠色環保的熱處理強化技術。如何抉擇就需考慮工藝成本，經測算，離子氮化的工藝成本為28元/件，QPQ處理的工藝成本為24元/件，以主機廠錐環支板年產量1.5萬件來算，QPQ處理節約成本6萬/年。
同時QPQ處理的生產周期約為3h/批，離子氮化的生產周期約為8h/批，單批處理量兩者相當，QPQ工藝的生產效率更高，且QPQ處理的工件質量更好。相比而言，優先選擇成本更低、效率更高的QPQ熱處理工藝。
余金科、牛恩來、魯福來，東風商用車技術中心。
來源：熱處理生態圈
