李麗 焦文建 胡桂英 張桂

摘要：從分析滲氮零件材料性能入手，采用對(duì)比方法，研究了零件化學(xué)成分、組織、硬度、裂紋形貌等特征以及滲氮原理、過(guò)程等相關(guān)因素，在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，找到了4Cr14Ni14W2Mo材料類零件滲氮后磨削掉塊原因，為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：滲氮層；掉塊；水分；冶金缺陷

Keywords：nitrided case；drop blocks；water；metallurgical defect

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣活門(mén)、襯套和緊固件等零件的材料多為4Cr14Ni14W-2Mo。為了提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蝕性等綜合性能，該類零件一般采用二段氣體滲氮工藝，滲氮層深度大多要求在0.1mm以上。但是該類零件滲氮過(guò)程中，因滲氮?dú)夥湛刂撇缓萌菀壮霈F(xiàn)異常，導(dǎo)致滲層深度不夠、滲層網(wǎng)狀組織、化合物疏松等缺陷。這些缺陷如果沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而消除，那么在后續(xù)磨削工序中將出現(xiàn)滲層掉塊、裂紋等現(xiàn)象。若缺陷零件裝上發(fā)動(dòng)機(jī)，還會(huì)因零件滲氮層出現(xiàn)掉塊、產(chǎn)生裂紋而失效，從而引發(fā)飛行事故，嚴(yán)重威脅飛行安全。例如，某機(jī)型附件上噴嘴零件，在使用一個(gè)壽命后分解發(fā)現(xiàn)零件滲氮層嚴(yán)重脫落；某廠在磨削滲氮零件滲氮面時(shí)，發(fā)現(xiàn)7個(gè)批次的4Cr14Ni14W2Mo零件滲氮層出現(xiàn)不同程度的掉塊現(xiàn)象，導(dǎo)致零件全部報(bào)廢。因此，開(kāi)展該種材料零件滲氮層掉塊原因分析顯得十分必要。

1 試驗(yàn)材料

4Cr14Ni14W2Mo鋼屬于中碳奧氏體型熱強(qiáng)鋼，一般推薦采用電渣重熔或其他爐外精煉法生產(chǎn)；經(jīng)820℃～850℃退火后的組織為奧氏體+碳化物；在700℃以下有良好的熱強(qiáng)性能，在800℃以下有良好的抗氧化性能；作為滲氮鋼使用時(shí)，為改善零件滲氮層質(zhì)量，防止?jié)B氮層剝落，要求鋼材具有均勻細(xì)小的等軸晶粒，氮化物顆粒細(xì)小、分布均勻。標(biāo)準(zhǔn)中要求晶粒度不小于6級(jí)，對(duì)氮化物分布及形態(tài)未作明確的要求。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

從某廠7批零件中隨機(jī)選取3件故障件作為試樣，編號(hào)分別為0129、0755、0682，另從庫(kù)存中選取1件同圖號(hào)合格零件作為對(duì)比試樣，編號(hào)為 2723；試樣材料為4Cr14Ni14W2Mo，規(guī)格為φ10×20mm。

2.1 化學(xué)試驗(yàn)

用機(jī)加方法將試樣表面氮化層去除后，加工成粉末，用SPECTRO ARCOS型ICP、CS878型紅外碳硫分析儀、TCH600氧氮?dú)渎?lián)測(cè)儀分析主要化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 金相試驗(yàn)

1）心部檢查

將試樣制成金相切片后，在GX71金相顯微鏡下觀察，其心部組織、晶粒度、夾雜物評(píng)定結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）。

2）滲層組織檢查

將試樣從中部切開(kāi)，制樣后分別在GX71金相顯微鏡及EVOMA15電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)掉塊形貌為沿晶斷裂；滲層內(nèi)有徑向及周向裂紋；用3%～5%硝酸酒精溶液浸蝕后，發(fā)現(xiàn)滲層組織表面與內(nèi)部有明顯差異，還有網(wǎng)狀及粗脈狀氮化物存在，與2723號(hào)試樣相比，組織有明顯差異（見(jiàn)圖1～圖6）。圖2、圖3與典型的表面化合物疏松層（圖7）有許多相似之處：表層附近組織形貌與近表層正常滲層相比有明顯差異，顏色明顯偏淺，中間灰色小點(diǎn)和灰?guī)檠趸锱c疏松的可能性極大。

2.3 裂紋形貌觀察

在電鏡及金相顯微鏡下觀察，與典型的磨削裂紋（見(jiàn)圖8）相比，圖2的裂紋只具有磨削裂紋的部分特點(diǎn)。圖8裂紋首先在零件表面開(kāi)裂，然后垂直向截面內(nèi)部擴(kuò)展成外闊內(nèi)尖的楔形裂口，基本上為沿晶裂紋，但圖2的裂紋大體上分為兩個(gè)部分，開(kāi)口處及附近為穿晶裂紋，余下部分為沿晶裂紋。圖3的裂紋為周向裂紋，不具有磨削裂紋的特點(diǎn)。

2.4 能譜分析

用SYSTEM7型能譜儀分析試樣滲層成分（見(jiàn)圖9），發(fā)現(xiàn)滲層表面碳含量先從5.22%到6.87%增加，增加到6.6%左右后碳含量在6.6%～6.4%之間波動(dòng)；氮含量總體沒(méi)有大的差異，但在近表層組織顏色偏淺的部位晶界氮含量同比顏色正常的位置高；晶內(nèi)氮含量剛好相反，顏色正常的位置高于顏色偏淺的位置；而Cr、Ni、Mo、W 等其他主要元素沒(méi)有明顯差異。

2.5 脆性檢查

按HB5022-94檢查試樣脆性，均為1級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 滲氮層硬度檢查

用金相砂紙輕磨試樣表面去除氧化物及污物后，進(jìn)行硬度測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3；將試件鑲樣后制成金相試樣，用DuraScan-50顯微硬度計(jì)測(cè)試從表面到心部的硬度變化，結(jié)果見(jiàn)表4，測(cè)試間距為0.02mm，載荷為100g。

2.7 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢查

為進(jìn)一步了解情況，到滲氮現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)滲氮采用RX-75-10型少氧化箱式電阻爐，氨氣流量計(jì)中有液態(tài)水存在，硅膠已成粉紅色。

3 分析與討論

3.1 滲氮層中出現(xiàn)化合物層疏松、網(wǎng)狀、脈狀氮化物的原因

1）滲氮原理

滲氮包括氣氛形成、吸附、分解、吸收和擴(kuò)散五個(gè)基本過(guò)程。采用氨氣作為滲氮介質(zhì)，在滲氮溫度時(shí)，氨是亞穩(wěn)定的，它發(fā)生分解反應(yīng)，分解為H2及活性氮原子[N]，活性氮原子遇到鐵原子而發(fā)生一系列反應(yīng)而被工作表面吸收，剩余的活性氮原子很快結(jié)合成分子態(tài)N2，與H2一起從廢氣中排出。鋼表面吸收的[N]，溶解在α-Fe中組成固溶體，飽和后形成氮化物。隨著表面含氮量的提高，α固溶體中形成表面至心部的氮的濃度梯度，氮原子不斷地向內(nèi)擴(kuò)散，逐漸形成滲氮層。在氮化過(guò)程中還有氫的滲入，這將導(dǎo)致氮化層脆性增加，氮化后緩冷時(shí)大部分氫可以逸出，其影響不大。但若氨氣中水太多，會(huì)破壞滲氮?dú)夥?，[N]分壓減少，H滲入量增加，在滲層中形成孔洞或微孔，還會(huì)在組織中產(chǎn)生少量氧化物。

2）零件滲氮工藝

滲氮前經(jīng)（800～900）℃±10℃、保溫3～8h后空冷，組織奧氏體+氮化物。采用二段氣體滲氮工藝：（500～600）℃±5℃后保溫40～60h后將氨氣分解率由30%～60%調(diào)整到40%～70%，升溫到（550～650）±5℃，保溫2h后停止加熱，繼續(xù)通氨氣至箱溫降至200℃及以下時(shí)，停止供應(yīng)氨氣，拆箱取零件。氨氣用硅膠干燥劑進(jìn)行凈化過(guò)濾，硅膠干燥劑使用超過(guò)三個(gè)月或硅膠顏色呈玫瑰色或紫色時(shí)，應(yīng)進(jìn)行烘干活化處理或進(jìn)行更換?；罨に嚕海?30～160）℃±20 ℃，保溫3 h～8 h，空冷。在箱內(nèi)放入適量的化學(xué)純?nèi)ニ然@活化滲氮表面，除去表面鈍化膜。

3）滲氮層掉塊、裂紋原因

相關(guān)資料顯示，在滲氮過(guò)程中，由于爐內(nèi)溫度控制不當(dāng)、滲劑組分不合理、滲氮前原始組織過(guò)于粗大、表面脫碳等原因都可造成滲氮后滲層組織不正常，最常出現(xiàn)的缺陷有化合物層疏松、網(wǎng)狀氮化物、脈狀氮化物及針狀氮化物。

在滲氮特別是氮碳共滲后，滲層的化合物層會(huì)出現(xiàn)細(xì)小分布的微孔或者孔洞，這些孔洞或微孔在光學(xué)顯微鏡下，可直接從滲氮層金相試片上觀察到。由于微孔的大小、數(shù)量和分布不同，對(duì)性能的影響也不同。微孔的存在可儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，降低磨擦系數(shù)，但級(jí)別過(guò)高時(shí)將增大脆性，易起皮剝落。化合物層疏松多發(fā)生在氮碳共滲或高氮?jiǎng)蓍L(zhǎng)時(shí)間氣體滲氮的情況下，這是由于亞穩(wěn)定的高氮相化合物在滲氮過(guò)程中發(fā)生分解，析出氮分子而留下氣孔所致。當(dāng)爐氣中NH3含量超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)多孔性表面，隨著爐氣中NH3含量的繼續(xù)增加，疏松程度就越嚴(yán)重。氣體滲氮時(shí)，化合物層出現(xiàn)的疏松與氨氣純度、滲層中平均氮濃度有關(guān)，如果氨氣中含有水等則易產(chǎn)生疏松。嚴(yán)重的疏松表層很不耐磨，在不大的外力作用下就可使該層遭受強(qiáng)烈磨損。這些磨損剝落的散粒在進(jìn)一步的磨擦過(guò)程中，反復(fù)作用于疏松層內(nèi)側(cè)表面（致密層），容易在該層中萌生裂紋，進(jìn)而降低滲層的疲勞強(qiáng)度。

在滲氮過(guò)程中，如氨氣中水分量過(guò)多，滲層內(nèi)極易在離工件表面一定距離處形成脈狀或網(wǎng)狀堆積的富氮帶，也即脈狀或網(wǎng)狀氮化物。脈狀或網(wǎng)狀組織屬C-N-Cr脆硬化合物，在晶界連續(xù)后將基體晶粒隔開(kāi)，一方面嚴(yán)重破壞了金屬基體的連續(xù)性，另一方面又在晶界周?chē)幸槐哟嘈韵?，致使該處處于高度脆性狀態(tài)，僅在輕微扭力（磨削）作用下即使表面發(fā)生崩裂而掉塊。

3.2 滲層表面減碳、硬度不均勻原因分析

由于滲氮包中存在水分，造成了零件表面碳損失，同時(shí)表層有0.02～0.03mm的化合物疏松層，晶內(nèi)氮含量也比正常情況下偏少，造成表層硬度比正常硬度低；但由于其深度較淺，只有0.03mm左右，所以在測(cè)表面硬度時(shí)，其整體硬度是合格的。

3.3 影響因素

影響化合物疏松層及網(wǎng)狀、脈狀氮化物產(chǎn)生的因素有：氨氣中含水量；滲氮零件表面脫碳情況；氨分解率；外形、表面粗糙度；滲氮前熱處理質(zhì)量；滲氮時(shí)間；滲氮后冷卻速度；原材料冶金缺陷。

氨氣中含水量越高，零件表面減碳、脫碳越嚴(yán)重，越容易出現(xiàn)化合物疏松層及網(wǎng)狀、脈狀氮化物，這是最主要因素；零件外形越復(fù)雜、特別是有尖角存在、表面越粗糙，越易產(chǎn)生網(wǎng)狀氮化物；滲氮前熱處理不當(dāng)，造成零件表面減碳、脫碳，晶粒粗大，會(huì)造成網(wǎng)狀、脈狀氮化物；氨分解率過(guò)高或過(guò)低均會(huì)產(chǎn)生不良影響，應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)；滲氮時(shí)間越長(zhǎng)、滲氮后冷卻速度越慢，出現(xiàn)化合物疏松層及網(wǎng)狀、脈狀氮化物的機(jī)率越大；另外，原材料有缺陷，帶狀組織及非金屬夾雜物嚴(yán)重、晶粒粗大，也會(huì)造成網(wǎng)狀、脈狀氮化物產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1）綜合以上試驗(yàn)及分析，引起這幾批零件磨削掉塊進(jìn)而產(chǎn)生表面裂紋的原因是滲氮層中出現(xiàn)化合物疏松層及網(wǎng)狀、脈狀氮化物。

2）滲層中出現(xiàn)化合物疏松層及網(wǎng)狀、脈狀氮化物的主要原因是氨氣干燥不充分、較多水分進(jìn)入滲氮包以及長(zhǎng)時(shí)間滲氮造成的。

3）建議措施

更換干燥劑或烘干干燥劑，加強(qiáng)對(duì)干燥劑的檢查力度；常查爐體密封情況，消除管道、設(shè)備內(nèi)積水；增加滲氮后加工余量，將化合物疏松層在后續(xù)加工中去除。

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