解決偏心輪滲氮后出現(xiàn)縱向裂紋問題

侯廣庫（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧　沈陽　110043）

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解決偏心輪滲氮后出現(xiàn)縱向裂紋問題

侯廣庫
（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110043）

摘要：本文研究了1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼調(diào)質(zhì)處理、滲氮過程控制以及優(yōu)化滲氮工藝參數(shù)。通過對國產(chǎn)材料1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN加工的偏心輪進(jìn)行滲氮工藝試驗(yàn)，解決偏心輪滲氮后零件出現(xiàn)縱向裂紋問題，同時確定偏心輪最佳工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼；調(diào)質(zhì)處理；滲氮；縱向裂紋

發(fā)動機(jī)許多結(jié)構(gòu)件在工作中承受著重復(fù)的沖擊載荷作用，如飛機(jī)起落架釬桿、自動武器的閉鎖、退殼機(jī)構(gòu)中的承力件等，部分密封零件的設(shè)計和加工過程避免不了出現(xiàn)一些尖邊的情況，其滲氮后續(xù)加工常出現(xiàn)剝落、裂紋、磨削裂紋等現(xiàn)象，零件使用時易出現(xiàn)裂紋及脆性斷裂等問題，如發(fā)動機(jī)活塞桿、封嚴(yán)襯套等。滲碳、滲氮是改善材料表面性能的有效方法，滲氮處理是強(qiáng)化材料常用的方法之一。1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN 鋼是近年來常用的俄料ЗП866國產(chǎn)化馬氏體不銹鋼材料，主要用于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造，如偏心輪、銷軸、球頭等零件，主要的熱處理工藝有調(diào)質(zhì)、滲氮熱處理。在實(shí)際工程應(yīng)用中其工作環(huán)境比較惡劣。然而有關(guān)滲氮的工藝對滲氮層組織、表面硬度、裂紋等性能方面的研究少見，因此，研究滲氮工藝參數(shù)對提高零部件的合格率、解決零件滲氮后的裂紋以及零件后續(xù)機(jī)械加工及延長使用壽命有重大的意義。

1 試驗(yàn)用料、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)用料

1.1.1 偏心輪，40件，國產(chǎn)寶鋼1Cr16 Co5Ni2Mo1WVNbN鋼ф18棒材加工，爐號938-0635。

1.1.2 液氨：符合GB536中Ⅰ級品規(guī)定，含水量不大于0.2%。

1.1.3 氯化銨：GB658-88。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 調(diào)質(zhì)熱處理工藝

將ф18的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼棒材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其工藝為：淬火1100℃±10℃，保溫（90～110）min，油冷＋回火：670℃（工藝要求：650℃～700℃）。

1.2.2 工藝試驗(yàn)方案的制定

在氣體滲氮過程中，主要的工藝參數(shù)為溫度、時間和氨分解率，這幾個因素對滲氮質(zhì)量起著決定作用。

（1）溫度的影響

隨著滲氮溫度的提高，金屬中原子擴(kuò)散的激活能增大，滲氮速度加快，表層氮濃度低，可能導(dǎo)致滲氮層硬度不足；滲氮溫度過低，氮原子擴(kuò)散慢，零件表層氮濃度高，氮化表面白層將增厚，脆性增大。

（2）時間的影響

由于該鋼中Cr、Ni等元素含量較高，而這些元素均強(qiáng)烈降低氮原子在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，因此，必須通過試驗(yàn)確定深度和滲氮時間的關(guān)系。

（3）氨分解率的影響

氨分解率主要取決滲氮溫度，在一定的滲氮溫度下，氨分解率過低，零件表面含氮量太高，滲氮層脆性大，易形成網(wǎng)狀、脈狀或魚骨狀氮化物；氨分解率過高，零件表面含氮量太低，滲氮層深度淺，化合物層不致密，表面硬度低。

針對此材料采用以下三種試驗(yàn)方案對偏心輪進(jìn)行滲氮處理，方案1隨爐通氨氣冷卻520℃出爐，隨箱通氨氣冷卻150℃以下拆包，35h～40h。方案2隨爐通氨氣冷卻520℃出爐，隨箱通氨氣冷卻150℃以下拆包，30h～35h。方案3隨箱通氨氣冷卻150℃以下拆包，30h～35h。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備、儀器

高溫箱式爐Π-122；中溫箱式爐H-75；井式氣體滲氮爐ΠH-32；洛氏硬度機(jī)；光學(xué)金相顯微鏡等。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表1列出了不同滲氮保溫時間及冷卻方式的試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 工藝參數(shù)選擇

按方案1、2對零件進(jìn)行滲氮處理后，滲氮層深度上沒有顯著的增加，滲氮表面硬度明顯降低。

2.2.2 裂紋產(chǎn)生分析

（1）氨分解率影響

1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼中的合金元素對氮原子的親和力很強(qiáng)，在過低的氨分解率氣氛中，即高氮勢氣氛中，活性氮原子很快富集于工件表面，在沒有充分向工件內(nèi)部擴(kuò)散的情況下，極易形成ξ相和ε相脆性層組織，即白層。當(dāng)?shù)獫舛却笥?1.4%，溫度低于500℃則會產(chǎn)生ξ相，白層中一旦出現(xiàn)ξ相，則滲層脆性很高。

（2）零件結(jié)構(gòu)影響

偏心輪零件小端面留有加工用的頂針孔，由于零件偏心，在零件頂針孔的一側(cè)存在尖邊和尖角，并且零件小端桿部預(yù)留8mm的切斷加工余量，滲氮前對非滲氮表面進(jìn)行鍍銅保護(hù)，小端面的頂針孔及桿部預(yù)留的8mm區(qū)域未進(jìn)行鍍銅保護(hù)，滲氮過程中氮原子向尖角處堆積，使其脆性增大。

（3）冷卻速度的影響

工件經(jīng)滲氮處理后緩慢冷卻到室溫，由于含氮量由表及里逐漸減少，依次出現(xiàn)：ε-ε＋γ’-γ’-γ’＋α-α相。γ相是氮在γ-Fe中的間隙固溶體（含氮奧氏體），面心立方晶格，溫度高于590℃才存在，溫度緩慢下降通過590℃時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：γ-γ’＋α，若在γ相區(qū)快速冷卻（淬火）則得到含氮的馬氏體。1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼滲氮溫度為630℃，由于偏心輪零件的結(jié)構(gòu)影響，尖邊和尖角處的氮濃度較高，零件隨箱通氨氣冷卻過程中，其尖邊和尖角處的冷卻速度達(dá)到了其臨界冷速，使其得到含氮的馬氏體，由于該處的組織應(yīng)力很大，超過了材料的抗拉強(qiáng)度，使其沿縱向產(chǎn)生裂紋。

表1　滲氮試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

（1）試驗(yàn)確定了偏心輪最佳工藝參數(shù)及工藝方法。

（2）采用上述工藝制度生產(chǎn)的偏心輪各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計和工藝的要求，零件表面無裂紋產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]凌樹森，景小妹，潘明，等.高強(qiáng)度鋼動態(tài)沖擊疲勞的研究與應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，1996，32（05）：16-20.

中圖分類號：TG249

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A