S-03鋼滲氮層裂紋分析與控制

程海英，何安平，李永虎

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，西安710100）

0 引言

滲氮是為了提高零件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。有時(shí)零件滲氮后會(huì)出現(xiàn)一些影響組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械及抗蝕性能的缺陷。以前在型號(hào)為JT-75-9的滲氮設(shè)備中處理S-03鋼零件曾出現(xiàn)滲氮層脆性大和微裂紋等缺陷，從而導(dǎo)致零件的整批報(bào)廢。經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致此問題出現(xiàn)的因素有氮化罐老化和爐氣壓力不穩(wěn)定等。為此從滲氮原理出發(fā)分析上述因素對(duì)滲層質(zhì)量的影響情況，從而制定出防止氮化罐老化、確保爐氣壓力穩(wěn)定等確保產(chǎn)品質(zhì)量的有效控制措施。

1 S-03鋼材料特性及滲氮原理簡介

1.1 S-03鋼材料特性

S-03鋼是一種耐蝕低碳馬氏體時(shí)效不銹鋼，其強(qiáng)化機(jī)理分兩步達(dá)到：通過淬火處理獲得具有高密度位錯(cuò)的馬氏體組織及隨后的馬氏體時(shí)效。無碳馬氏體時(shí)效過程中的強(qiáng)化是析出金屬間化合物質(zhì)點(diǎn)的結(jié)果。

1.2 滲氮原理

氣體滲氮是由分解、吸收及擴(kuò)散3個(gè)基本過程組成的。滲氮的主要目的是提高零件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及抗蝕性，同時(shí)心部又有高的韌性。

滲氮時(shí)不能用氮?dú)庾鳛楣┑橘|(zhì)，因?yàn)榉肿討B(tài)的氮幾乎不能被吸收，而且氮分子分解為氮原子是十分困難的，所以生產(chǎn)中多用瓶裝液氨作為滲氮介質(zhì)。氨氣是十分不穩(wěn)定的氣體，滲氮時(shí)就是利用剛分解而未結(jié)合成分子的氮原子滲入鋼中的。滲氮過程中只有部分新生的活性氮原子與工件表面接觸并被工件吸收，其他的活性氮原子很快就結(jié)合成氮分子。為了保證活性氮原子的不斷供應(yīng)，必須要以一定流量的氨持續(xù)通入滲氮爐內(nèi)。工件對(duì)氮原子的吸收能力與滲氮溫度和氨分解率密切相關(guān)。在一定的溫度下，對(duì)于工件存在一個(gè)最強(qiáng)烈吸收氮原子的氨分解率。

當(dāng)?shù)颖还ぜ蘸螅仁侨谌牍倘荏w中，當(dāng)超過極限溶解度后與工件中的鐵及合金元素形成一系列化合物。當(dāng)?shù)訚B入后，與Cr和Mn等各種氮化物形成元素形成高硬度的合金氮化物，并以極細(xì)小的顆粒彌散分布于滲層基體上，這樣能夠大大提高滲層的硬度和強(qiáng)度。

1.3 爐氣氮?jiǎng)?/h3>

鋼的滲氮反應(yīng)式可寫成：

當(dāng)公式（1）達(dá)到平衡時(shí)

式中：Kp1為平衡常數(shù)；pNH3為爐氣中的氨氣分壓力；pH2為爐氣中的氫氣分壓力；aN為氣相平衡時(shí)鋼表面的氮活度。工程技術(shù)中通常令這就是爐氣氮?jiǎng)荩谑怯衋N=Kp1·r。

上式給出了爐氣氮?jiǎng)菖c鋼件表面氮活度之間的關(guān)系，可看出爐氣氮?jiǎng)莸拇笮∪Q于爐氣組成，當(dāng)溫度恒定時(shí)，Kp1是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)爐內(nèi)壓力加大時(shí)，氮?jiǎng)輗與零件表面的氮活度成正比，增加爐內(nèi)壓力是加速滲氮的一個(gè)較為理想的途徑。爐內(nèi)氨氣的分解率與滲氮溫度密切相關(guān)，當(dāng)滲氮溫度升高時(shí)，爐內(nèi)氨氣的分解率隨之升高，爐氣的氮?jiǎng)輨t隨之降低。

1.4 爐氣氮?jiǎng)菖c氨分解率及爐氣成分的關(guān)系

用純氨通入爐內(nèi)進(jìn)行滲氮（爐氣成分包括氨+氨分解氣）時(shí)，存在下列關(guān)系：

用氨分解率測定儀測定氨分解率時(shí)，首先通入爐氣，然后向瓶內(nèi)注水。由于氨幾乎全部溶解在水中，因此瓶內(nèi)水所占的體積百分?jǐn)?shù)就是爐氣中氨氣的體積百分?jǐn)?shù)，也等于爐氣中氨的分壓pNH3，故氨分解率：

由此可見，氮?jiǎng)菖c氨分解率及爐氣成分之間存在如下關(guān)系：

從公式（6）可知，只要能測定并控制氨分解率V或爐氣中的氨氣和氫氣的含量，就能達(dá)到控制爐氣氮?jiǎng)菁傲慵獫舛鹊哪康摹?/p>

2 問題及控制措施

2.1 存在的問題

對(duì)S-03鋼材料零件滲氮處理后出現(xiàn)滲氮層脆性大、微裂紋的缺陷和局部產(chǎn)生網(wǎng)狀氮化組織等問題，經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)本批零件在實(shí)際生產(chǎn)中與以往有以下不同：

1）零件入爐后，在排氣過程中出氣端的緩沖瓶發(fā)生破壞，使零件在氨氣與大氣混合的環(huán)境下放置了3個(gè)多小時(shí)；

2）在滲氮過程中，爐氣壓力的波動(dòng)相對(duì)以前較為頻繁，且幅度較大；

3）在退氮的過程中分解率的變化速度過快，大約在20 min的時(shí)間內(nèi)將分解率由42%調(diào)整到90%以上。

2.2 模擬試驗(yàn)

為了對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備狀態(tài)情況進(jìn)行分析，通過模擬試驗(yàn)得到了現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)下進(jìn)、出氣壓力和分解率隨保溫時(shí)間的變化情況，進(jìn)、出氣壓力和分解率隨保溫時(shí)間的變化趨勢分別見圖1～圖3。

通過對(duì)檢測數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：爐氣內(nèi)氮?jiǎng)葑兓笄铱欤倪M(jìn)前的分解率在短短的150 min由46%下降為36%，將此數(shù)值代入公式（6） 中通過計(jì)算可得出爐氣內(nèi)的氮?jiǎng)葑兓闆r：

當(dāng)分解率為46%時(shí)

當(dāng)分解率為36%時(shí)

由上述的結(jié)果可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長由于管路系統(tǒng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致當(dāng)進(jìn)氣壓力由18 mmHg增加到31 mmHg時(shí)，氮?jiǎng)萦?.56增加到4.56，增加了78%之多。

2.3 結(jié)果分析

零件表面的氮活度與氮?jiǎng)莩烧壤P(guān)系，當(dāng)?shù)獎(jiǎng)菰黾?8%時(shí)零件表面的氮活度也就增加了78%，氮活度的快速增加導(dǎo)致滲氮速度增加，從而在零件表面形成較大的應(yīng)力，這是造成滲層出現(xiàn)裂紋的因素。

2.4 相應(yīng)的控制措施

針對(duì)爐氣壓力變化速度快且幅度大的問題，可采取下列控制措施進(jìn)行：

1）對(duì)進(jìn)、出氣系統(tǒng)的管路進(jìn)行仔細(xì)檢查及用高純氮?dú)膺M(jìn)行清理（連接罐體的不銹鋼出氣管道部分先用鐵絲疏通后再用高純氮?dú)獯党_保進(jìn)、出氣管道無堵塞和漏氣現(xiàn)象；

2）對(duì)控制氣壓的閥門進(jìn)行仔細(xì)檢查和清理，及時(shí)對(duì)控制作用不好的微調(diào)閥進(jìn)行修理或更換，確保微調(diào)閥的正常使用，及時(shí)對(duì)密封效果不好的減壓閥密封墊進(jìn)行更換，確保壓力的穩(wěn)定。

圖1 進(jìn)氣壓力隨保溫時(shí)間的變化趨勢圖Fig.1 Variation of intake pressure with soaking time

圖2 出氣壓力隨保溫時(shí)間的變化趨勢圖Fig.2 Variation of outlet gas pressure with soaking time

圖3 分解率隨保溫時(shí)間的變化趨勢圖Fig.3 Variation of resolution ratio with soaking time

2.5 采取控制措施后氣體壓力測試結(jié)果及改進(jìn)效果

為對(duì)改進(jìn)后的設(shè)備狀態(tài)情況進(jìn)行分析及與改進(jìn)前的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，通過模擬試驗(yàn)得到了改進(jìn)后進(jìn)出氣壓力和分解率隨保溫溫度的變化情況，進(jìn)、出氣壓力和分解率隨保溫時(shí)間的變化趨勢分別見圖1～圖3。

隨保溫時(shí)間延長分解率的變化范圍在44.1%～44.7%之間，將此值代入公式（6）中可得：

當(dāng)分解率為44.7%時(shí)

當(dāng)分解率為44.1%時(shí)

氮?jiǎng)葜档淖兓瘍H為0.09，約3.2%，這細(xì)微的波動(dòng)對(duì)滲層質(zhì)量的影響是微乎其微甚至沒有影響的。

從圖1～圖3和計(jì)算結(jié)果中可以很明顯的看出采取控制措施改進(jìn)后，在保溫過程中進(jìn)、出氣壓力和分解率及氮?jiǎng)菥呌诜€(wěn)定狀態(tài)。這就說明采取的控制措施起到了預(yù)期的作用，從而對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提供了可靠的保障。

3 試驗(yàn)過程（采取控制措施后）

3.1 準(zhǔn)備工作

為了比較工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響情況，杜絕準(zhǔn)備工作對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，3爐試驗(yàn)熱處理前的準(zhǔn)備工作均按照下列程序進(jìn)行：

1） 對(duì)進(jìn)、出氣系統(tǒng)的管路進(jìn)行仔細(xì)檢查及用高純氮?dú)膺M(jìn)行清理（連接罐體的不銹鋼出氣管道部分先用鐵絲清理后用高純氮?dú)馇謇恚_保進(jìn)、出氣管道無堵塞和漏氣現(xiàn)象；

2） 對(duì)氮化罐按照680℃×360 min的制度進(jìn)行退氮處理；

3） 對(duì)氮化罐的內(nèi)表面和滲氮用的工裝進(jìn)行吹砂處理；

4） 對(duì)起密封作用的橡膠及石棉繩密封圈進(jìn)行更換；

5） 干燥劑的準(zhǔn)備及烘干 CaCl2在350℃保溫2 h隨爐冷卻至室溫出爐，分子篩在550℃保溫2 h隨爐冷卻至室溫出爐，石英砂（粒度不大于100目）在180℃保溫1 h隨爐冷卻至室溫出爐；

6） 每爐裝3個(gè)試樣，分上、中、下3層，試樣間的間距約50 mm；

7） 將裝有催化劑（氯化銨與石英砂的混合物）的小盒放在工裝的指定位置處。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

為看出不同保溫溫度、不同分解率及不同退氮時(shí)間等因素對(duì)滲層質(zhì)量的影響情況，制定了3爐次試驗(yàn)的工藝方案，具體方案見表1。

表1 工藝試驗(yàn)方案Tab.1 Scheme of technological test

3.3 技術(shù)要求

根據(jù)相關(guān)的技術(shù)條件要求滲氮后的滲層深度、脆性級(jí)別及硬度值需達(dá)到下列指標(biāo)：

1） 滲層深度 0.12～0.60 mm；

2） 脆性級(jí)別≯Ⅱ級(jí)；

3） 硬度值 60～70 HRC （或 713～1 037 HV）。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試樣的滲層深度、脆性級(jí)別及硬度值

滲氮處理后對(duì)3爐次試樣按要求進(jìn)行滲層深度、脆性級(jí)別及硬度值的檢測，具體數(shù)值見表2。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果的符合性

第1爐和第3爐的滲層深度、硬度及脆性均符合要求；第2爐的滲層深度及硬度符合要求，脆性級(jí)別不滿足≯Ⅱ級(jí)的要求。

4.3 裂紋情況

第1爐：未發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖4；第2爐：發(fā)現(xiàn)多處裂紋，橫向裂紋見圖5，縱向裂紋見圖6；第3爐：未發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖7。

表2 試樣的滲層深度、脆性級(jí)別及硬度值Tab.2 Nitrated layer depth，friability and Vickers hardness of test sample

圖4 第1爐無裂紋（100x）Fig.4 Flawless nitrated layer from first furnace

圖5 第2爐發(fā)現(xiàn)橫向裂紋（100x）Fig.5 Transversal flaw in nitrated layer from second furnace

圖6 第2爐發(fā)現(xiàn)縱向裂紋（100x）Fig.6 Longitudinal flaw in nitrated layer from second furnace

圖7 第3爐無裂紋（100x）Fig.7 Flawless nitrated layer from third furnace

5 過程分析

5.1 對(duì)氮化罐進(jìn)行退氮處理的目的

在3個(gè)爐次試驗(yàn)前均對(duì)氮化罐進(jìn)行退氮處理，這是因?yàn)闈B氮鋼罐中鎳及鎳的某些化合物對(duì)氨的分解具有很強(qiáng)的催化作用，且隨著滲氮的爐次增加，催化作用增加，使氨分解率不斷增加，必須加大氨的通入量才能確保罐內(nèi)氨分解率的穩(wěn)定，保證滲氮質(zhì)量。為確保不同爐次的試驗(yàn)具有可比性，將氮化罐對(duì)分解率的影響降至為最低。

5.2 對(duì)進(jìn)、出氣管道進(jìn)行檢查和清理的目的

由于前期的生產(chǎn)中出現(xiàn)了爐氣壓力不穩(wěn)定的情況，在對(duì)減壓閥進(jìn)行拆卸后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)存在一定的污物，在對(duì)進(jìn)、出氣管道進(jìn)行清理時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)存在一定的白色沉積物（起催化作用的NH4Cl），這些雜物致使?fàn)t氣壓力在生產(chǎn)過程中形成一定的波動(dòng)，導(dǎo)致罐內(nèi)的分解率不斷變化，從而引起罐內(nèi)氮?jiǎng)莸牟粩嘧兓罱K影響產(chǎn)品的質(zhì)量，所以必須對(duì)進(jìn)、出氣管道進(jìn)行清理，以保證爐氣壓力的穩(wěn)定，從而保證滲氮質(zhì)量。

5.3 滲層裂紋分析

對(duì)比3爐次的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)第2爐的試樣上出現(xiàn)了脆性大及裂紋的缺陷，這是因?yàn)椋?/p>

1） 滲氮時(shí)爐內(nèi)氣氛氮?jiǎng)葸^高，滲氮時(shí)表層晶格常數(shù)增加，體積增大，而心部則阻礙其長大，即表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力，當(dāng)?shù)獎(jiǎng)葸^高時(shí)零件的表面就會(huì)處于一種應(yīng)力較高的狀態(tài)，從而使零件的滲氮層脆性增大甚至產(chǎn)生裂紋。

2） 退氮時(shí)氮?jiǎng)葑兓俣瓤欤说獣r(shí)表層晶格常數(shù)減小，體積縮小，而心部則阻礙其縮小，即最表層受拉應(yīng)力，次表層受壓應(yīng)力，零件所受的應(yīng)力狀態(tài)與滲氮過程相反。當(dāng)?shù)獎(jiǎng)葑兓^快時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)的快速變化也會(huì)導(dǎo)致滲氮層脆性增大甚至產(chǎn)生裂紋。

3） 氮化罐的出爐溫度過高，熱應(yīng)力相對(duì)較大一些，對(duì)滲氮層的應(yīng)力狀態(tài)也有一定的影響。

5.4 滲層深度分析

第1爐和第2爐滲層深度較深，這是因?yàn)椋?/p>

1） 滲氮時(shí)的爐氣壓力較大，分解率較低。爐氣壓力越大，零件表面的氮活度越大，爐氣的氮?jiǎng)菰礁撸环纸饴试降停瑺t氣的氮?jiǎng)菰礁撸酉蚬ぜ?nèi)的滲透動(dòng)力越強(qiáng)，滲層越深。

2）滲氮時(shí)的滲氮溫度較高。滲氮溫度越高，擴(kuò)散速度越快，滲層越深。

6 結(jié)論

1) 設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定是造成滲氮層脆性大及裂紋的主要因素。

2） 防止氮化罐老化、控制爐氣壓力及退氮過程，可以有效降低滲氮層出現(xiàn)脆性大及裂紋的傾向。

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