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 材料科學與工程學院，上海 200240；2. 人本集團技術中心，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 ℃并保溫適當的時間，使用的軟氮化氣氛一般為氨氣和其他含碳氣氛的混合氣。低碳鋼零件軟氮化的方法有多種，各種方法的工藝參數也不盡相同，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′相雙相結構組成。然而，在心部位置往往出現沿晶及穿晶針狀γ′相氮化物，它會顯著增大化合物層及基體的脆性[1]。而且這種現象在保持架軟氮化工藝中普遍存在，經常出現因保持架斷裂導致的嚴重質量事故。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更少，甚至不出現針狀γ′相氮化物是業界亟待解決的課題。

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氣氛下進行的。在一定的溫度下發生如下氣相反應[2]

(1)

(2)

(3)

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

圖1所示為Fe-N系平衡狀態圖[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,當溫度超過590 ℃時會出現γ相。保持架在滲氮過程中，隨著氮濃度的升高，將發生α→γ′→ε→ξ 的轉變[4-6]。

圖1 Fe-N系平衡狀態圖

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，容易導致零件斷裂。根據工藝并結合圖2的分析，可以發現針狀γ′相氮化物的形成至少需要滿足兩個條件：(1)N的濃度；(2)溫度。為此專門設計了相應的工藝試驗方案，以探究常規軟氮化處理零件心部出現針狀γ′相氮化物的原因。

圖2 常規氣體軟氮化工藝獲得的心部組織(600×)

2 試驗

2.1 試驗材料

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

表1 SPCC材料化學成分 w,%

2.2 試驗方案和目的

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

圖3 試驗工藝曲線

3 結果及分析

3.1 試驗結果

圖4為經軟氮化熱處理和快速冷卻后的零件采用光學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，未發現針狀氮化物組織；圖4b為心部組織，也未出現針狀氮化物。

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試驗所得到的光學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生改變，也未出現針狀γ′相氮化物，但是心部已經隱約可見極細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生改變，但是表面和心部均出現了大量的針狀γ′相氮化物，這些氮化物大多數由晶界析出并穿晶生長；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了大量的針狀γ′相氮化物。

圖5 軟氮化并快速冷卻后經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快速冷卻試樣的氮含量進行了測定，測試條件為：加速電壓20 kV，WD=10 mm。表面白亮層氮的質量分數約為7%～10%，過渡區域氮的質量分數約為1%～3%，而試樣心部氮的質量分數為0.3%～0.6%。檢測結果見表2。

表2 軟氮化快速冷卻試樣氮濃度分布檢測結果

3.2 分析與討論

軟氮化結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′相氮化物的區域。對快速冷卻的試樣進行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試樣也證實了這一點。實際上對軟氮化零件采用高溫回火也常常是用來檢測氮原子滲入深度的一種方法[2]。300 ℃回火1 h析出氮化物最為嚴重，而在200 ℃以下基本上不析出針狀γ′相氮化物。

由以上試驗結果可知，防止軟氮化時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 試驗驗證

4.1 驗證方案

根據上述分析，設計了如圖9所示的2種軟氮化工藝方案，并通過試驗來驗證氮化物的析出情況。方案1：將軟氮化溫度降至540 ℃，其余工藝參數不變。方案2：將軟氮化結束后的隨爐冷卻改為油淬，其余工藝參數不變。

圖9 驗證無氮化物析出的2種軟氮化工藝方案

4.2 驗證結果

對2種方案得到的試樣用4%硝酸酒精浸蝕，在光學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，過渡區域剛剛開始析出少量細小針狀γ′相氮化物，但心部區域未出現針狀γ′相氮化物(圖10)，明顯好于常規軟氮化工藝；方案2試樣表面及心部均未發現針狀氮化物(圖11)。另外，僅從是否析出針狀氮化物的角度看，方案2優于方案1。驗證結果再次表明，針狀氮化物是軟氮化結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 結論與措施

(1)低碳鋼軸承保持架軟氮化結束后隨爐冷卻過程中易析出針狀γ′相氮化物，尤其在300 ℃時析出最為嚴重，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驗證，結果表明是可行的。