軸承保持架軟氮化針狀組織的形成原因及防止措施

劉斌，顧劍鋒

(1.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2. 人本集團(tuán)技術(shù)中心，上海 201411)

通常軸承保持架的軟氮化主要有氣體氮化法、鹽浴氮化法以及離子氮化法等，而目前軸承行業(yè)使用最普遍的是氣體氮化法。該方法通常是將零件置于密封的井式爐或者箱式爐中加熱至550～580 ℃并保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使用的軟氮化氣氛一般為氨氣和其他含碳?xì)夥盏幕旌蠚狻５吞间摿慵浀姆椒ㄓ卸喾N，各種方法的工藝參數(shù)也不盡相同，比如氮化溫度、氣氛流量和表面碳氮濃度等等。盡管其工藝多種多樣，但是目前保持架軟氮化工藝所得到的表面層組織幾乎均由ε相及γ′相雙相結(jié)構(gòu)組成。然而，在心部位置往往出現(xiàn)沿晶及穿晶針狀γ′相氮化物，它會(huì)顯著增大化合物層及基體的脆性[1]。而且這種現(xiàn)象在保持架軟氮化工藝中普遍存在，經(jīng)常出現(xiàn)因保持架斷裂導(dǎo)致的嚴(yán)重質(zhì)量事故。因此，研究低碳鋼軟氮化針狀氮化物的形成以及如何使表面出現(xiàn)更少，甚至不出現(xiàn)針狀γ′相氮化物是業(yè)界亟待解決的課題。

1 氣體軟氮化原理及組織

保持架氣體軟氮化處理通常是在NH3和CO2氣氛下進(jìn)行的。在一定的溫度下發(fā)生如下氣相反應(yīng)[2]

(1)

(2)

(3)

上述分解所產(chǎn)生的活性氮(N)和碳(C)原子被吸附在鋼的表面，并向內(nèi)部擴(kuò)散，隨著碳、氮原子濃度分布的不同，在鋼的表面形成不同結(jié)構(gòu)的含氮化合物及擴(kuò)散層。因此，要使軟氮化能夠持續(xù)進(jìn)行，需不斷地提供一定濃度的NH3和CO2，并在鋼的表面不斷地進(jìn)行上述分解反應(yīng)。

圖1所示為Fe-N系平衡狀態(tài)圖[3]。該圖中存在α，γ，γ′，ε和ξ等相，其中γ′，ε，ξ為氮化物相，這里γ′相為Fe4N，ε相為Fe(2～3)N，ξ相為Fe2N,當(dāng)溫度超過590 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)γ相。保持架在滲氮過程中，隨著氮濃度的升高，將發(fā)生α→γ′→ε→ξ 的轉(zhuǎn)變[4-6]。

圖1 Fe-N系平衡狀態(tài)圖

保持架的軟氮化工藝通常是：在低壓真空脈沖井式爐中通入一定比例的NH3和CO2氣體，570 ℃脈沖100 min左右，爐冷至200 ℃時(shí)出爐。采用該工藝處理的保持架表層和心部均存在大量的針狀氮化物(圖2)，這極大地增加了材料的脆性，容易導(dǎo)致零件斷裂。根據(jù)工藝并結(jié)合圖2的分析，可以發(fā)現(xiàn)針狀γ′相氮化物的形成至少需要滿足兩個(gè)條件：(1)N的濃度；(2)溫度。為此專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工藝試驗(yàn)方案，以探究常規(guī)軟氮化處理零件心部出現(xiàn)針狀γ′相氮化物的原因。

圖2 常規(guī)氣體軟氮化工藝獲得的心部組織(600×)

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試樣材料為日本牌號(hào)SPCC，熱軋退火狀態(tài)，經(jīng)OBLF 750直讀光譜儀分析其化學(xué)成分(表1)，符合JIS G3141規(guī)定。

表1 SPCC材料化學(xué)成分 w,%

2.2 試驗(yàn)方案和目的

試驗(yàn)采用模擬常規(guī)軟氮化結(jié)束后的隨爐冷卻工藝，目的是找到針狀氮化物形成的原因，設(shè)計(jì)如下方案：在井式脈沖氮化爐中進(jìn)行軟氮化，通入NH3和CO2氣氛(體積比為7∶3)，在570 ℃下進(jìn)行氮化90 min，然后快速冷卻至室溫，將得到的試樣分別進(jìn)行100，200，300和400 ℃回火1 h試驗(yàn)，這4種方案的試驗(yàn)工藝曲線如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)工藝曲線

3 結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為經(jīng)軟氮化熱處理和快速冷卻后的零件采用光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察所得到的表面和心部金相組織，其中圖4a由表及里組織依次為(白亮層)ξ，ε，γ′相(箭頭處)，其余為α-Fe鐵素體組織，未發(fā)現(xiàn)針狀氮化物組織；圖4b為心部組織，也未出現(xiàn)針狀氮化物。

圖4 軟氮化后快速冷卻零件的表面及心部組織

圖5～圖8分別為100，200，300和400 ℃回火1 h試驗(yàn)所得到的光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡二次電子圖像。圖5為100℃回火所觀察到的組織，表面為3～8 μm的含ε相及少量ξ，γ′氮化物相組成的白亮層，心部為α-Fe鐵素體組織，表面和心部均未析出針狀氮化物，與未回火試樣的組織無明顯區(qū)別；圖6為200 ℃回火所觀察到的組織，與100 ℃回火組織相比，表面白亮層組織未發(fā)生改變，也未出現(xiàn)針狀γ′相氮化物，但是心部已經(jīng)隱約可見極細(xì)小的針狀氮化物組織；圖7為300 ℃回火所觀察到的組織，表面白亮層厚度未發(fā)生改變，但是表面和心部均出現(xiàn)了大量的針狀γ′相氮化物，這些氮化物大多數(shù)由晶界析出并穿晶生長(zhǎng)；圖8為400 ℃回火所觀察到的組織，同樣在試樣表面和心部均出現(xiàn)了大量的針狀γ′相氮化物。

圖5 軟氮化并快速冷卻后經(jīng)100 ℃回火所獲得試樣的表面及心部組織

圖6 軟氮化并快速冷卻后經(jīng)200 ℃回火所獲得試樣的表面及心部組織

圖7 軟氮化并快速冷卻后經(jīng)300 ℃回火所獲得試樣的表面及心部組織

圖8 軟氮化并快速冷卻后經(jīng)400 ℃回火所獲得試樣的表面及心部組織

采用掃描電鏡能譜儀半定量地對(duì)快速冷卻試樣的氮含量進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試條件為：加速電壓20 kV，WD=10 mm。表面白亮層氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%～10%，過渡區(qū)域氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%～3%，而試樣心部氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.6%。檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 軟氮化快速冷卻試樣氮濃度分布檢測(cè)結(jié)果

3.2 分析與討論

軟氮化結(jié)束后采用快速冷卻的方法可以減少甚至避免針狀氮化物的析出，原因是試樣心部為含氮的過飽和α-Fe固溶體，采用快速冷卻避開了析出針狀γ′相氮化物的區(qū)域。對(duì)快速冷卻的試樣進(jìn)行200 ℃以上回火析出了針狀氮化物，表明試樣心部的確為含氮過飽和α-Fe固溶體，采用能譜儀半定量地檢測(cè)試樣也證實(shí)了這一點(diǎn)。實(shí)際上對(duì)軟氮化零件采用高溫回火也常常是用來檢測(cè)氮原子滲入深度的一種方法[2]。300 ℃回火1 h析出氮化物最為嚴(yán)重，而在200 ℃以下基本上不析出針狀γ′相氮化物。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，防止軟氮化時(shí)析出針狀氮化物可以采取的措施有：降低氮原子的滲入速度，使零件表面形成白亮層，而心部滲入極少量氮原子且不致析出針狀氮化物；另外，采用快速冷卻方法也可以有效阻止針狀γ′相氮化物的析出。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證方案

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了如圖9所示的2種軟氮化工藝方案，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證氮化物的析出情況。方案1：將軟氮化溫度降至540 ℃，其余工藝參數(shù)不變。方案2：將軟氮化結(jié)束后的隨爐冷卻改為油淬，其余工藝參數(shù)不變。

圖9 驗(yàn)證無氮化物析出的2種軟氮化工藝方案

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)2種方案得到的試樣用4%硝酸酒精浸蝕，在光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡下觀察其表面及心部組織。從二次電子圖像可以觀察到，方案1試樣表面存在少量粗大針狀γ′相氮化物，過渡區(qū)域剛剛開始析出少量細(xì)小針狀γ′相氮化物，但心部區(qū)域未出現(xiàn)針狀γ′相氮化物(圖10)，明顯好于常規(guī)軟氮化工藝；方案2試樣表面及心部均未發(fā)現(xiàn)針狀氮化物(圖11)。另外，僅從是否析出針狀氮化物的角度看，方案2優(yōu)于方案1。驗(yàn)證結(jié)果再次表明，針狀氮化物是軟氮化結(jié)束后隨爐冷卻過程中析出的。

圖10 方案1的試樣表面及心部組織

圖11 方案2的試樣表面及心部組織

5 結(jié)論與措施

(1)低碳鋼軸承保持架軟氮化結(jié)束后隨爐冷卻過程中易析出針狀γ′相氮化物，尤其在300 ℃時(shí)析出最為嚴(yán)重，而在200 ℃以下幾乎不析出針狀氮化物。

(2)保持架在570 ℃低壓真空脈沖常規(guī)工藝條件下，氮原子可以非常快地滲入零件心部。

為了防止針狀γ′相氮化物析出，可以采取的措施是：(1)將軟氮化溫度由570 ℃降至540 ℃，以降低氮原子的滲入速度，避免零件心部析出大量針狀氮化物；(2)將隨爐冷卻工藝改為油冷，加快軟氮化后的冷卻速度，也可防止氮原子從α-Fe中析出。這兩種措施均已得到試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明是可行的。