核主泵齒形聯軸器內外齒滲氮表面斑點缺陷分析

潘學民,袁力江,雷明凱

(大連理工大學 材料科學與工程學院表面工程實驗室,遼寧 大連 116024)

核主泵泵軸的作用主要是傳遞動力,支撐葉輪保持在工作位置正常運轉[1-2]。核主泵的泵軸與電動機軸采用分體結構時,兩者之間可通過齒形聯軸器連接。帶有內齒的外套和帶有外齒的內套組成齒形聯軸器,運用內外齒的嚙合傳遞扭矩。這種形式的連接,可以傳遞更大的扭矩并允許比較大的軸向偏移量,對于安裝的精度要求相對不高。聯軸器的性能關系到整個核主泵的效率,以及安全穩定運行,對聯軸器的材料及加工質量要求嚴格[3-4]。核主泵泵軸安裝過程中發現齒形聯軸器內外套的滲氮內外齒表面出現了尺寸3～10 mm、顏色比正常區域略深且金屬光澤暗淡的表面斑點缺陷,圖1是核主泵齒形聯軸器內外齒部位照片,在照片中圓圈指示位置均有表面斑點缺陷。這類表面斑點缺陷不僅影響核主泵泵軸的表觀質量,也可能對安全穩定服役具有潛在危害。圖2是一個典型的表面斑點缺陷放大照片。

圖1 核主泵泵軸齒形聯軸器內外齒面的表面斑點缺陷照片Fig.1 Surface spot defects of internal tooth and external tooth of gear coupling used in nuclear main pump

核主泵泵軸齒形聯軸器材料為42Cr Mo結構鋼,制造加工工藝流程為下料→毛坯粗車→調質→精車→銑外齒→齒面滲氮→光飾。針對內外齒滲氮表面出現的斑點缺陷,主要從3個方面進行原因分析:① 原材料成分組織不均勻;② 機械加工過程所致;③ 滲氮過程產生。經過對加工毛坯成分化驗,未發現合金成分異常,排除了原材料不均勻的原因。影響齒面表觀質量的最后機械加工工序分別是數控銑內外齒和光飾整體聯軸器,銑床刀具和光飾磨塊的加工路徑及其與齒形聯軸器內外套的加工作用方式,不可能產生如圖1所示的表面斑點缺陷,同樣排除了機械加工的原因。根據表面斑點缺陷硬度比其他區域偏低,可能的產生原因來自滲氮過程。齒形聯軸器除內外齒表面均需涂刷防滲劑進行防滲保護,齒面防滲劑殘留或者未徹底清除的表面油污、機械加工過程的冷卻劑等異物遮蓋均可能影響滲氮效果。通過實驗模擬防滲劑表面殘余對滲氮過程的影響,利用掃描電鏡、電子探針、X射線衍射儀,以及維氏硬度計分別對滲氮層斑點缺陷進行觀察和檢測,給出滲氮表面斑點缺陷成因和消除措施。檢測位置如圖2中字母A、B、C所示,字母A標識正常區域,字母B標識正常區域與表面斑點缺陷交界處,字母C標識表面斑點缺陷內部的圓心附近位置。

1 滲氮實驗

氣體滲氮是一種提高金屬零件表面硬度和耐磨性的常用熱處理工藝,具有處理溫度較低,工件畸變較小,表面硬度高,耐腐蝕,滲層強化相可控等優點,因此得到了廣泛應用[5]。齒形聯軸器齒面部位氣體滲氮處理工藝步驟如下:裝倉密封,通氨氣0.5 h,流量10 m3/h,爐內壓力800 Pa,排除空氣到≤2%;升溫至300～320℃保溫6 h;升溫至490～500℃保溫4 h,調整氨氣分解率到18%～25%;在490～500℃滲氮20 h,氨氣分解率18%～25%;在510～520℃滲氮50 h,氨氣分解率30%～50%;在510～520℃脫氮3 h;降溫,通氨氣至200℃。齒形聯軸器通過齒嚙合傳遞扭矩,為了提高耐磨性又不影響其他部位良好韌性,對齒面部位進行了氣體滲氮強化處理,而對其他部位則刷涂防滲劑進行防滲保護。

1.1 金相觀察

圖3給出了表面斑點缺陷不同位置截面金相照片,顏色呈現白色條帶處為合金氮化物比較多的區域,不易腐蝕,顏色相對較淺,白亮層內側區域合金氮化物比較少,容易腐蝕,所以顏色較深。圖3(a)是圖2中字母A位置的截面照片,從圖中可以看到白亮層厚度9～10μm。圖3(b)是圖2中字母B位置的正常滲氮區與表面斑點交界處截面照片,白亮層厚度左側約2μm,右側約4μm。圖3(c)是圖2中字母C位置截面照片,白亮層深度約2μm。可以發現,表面斑點缺陷位置白亮層深度明顯減少但并未徹底杜絕白亮區存在,原因一方面是齒面殘留物防滲效果有限,并未徹底起到阻止氮元素擴散作用;另一方面是氮化物除了沿著垂直于表面的方向生長,還沿著平行于表面的方向生長。圖3(b)中白亮層右側比左側深度大而且逐漸過渡也說明氮化物除了垂直生長還平行于表面生長。

圖3 表面斑點缺陷不同位置截面金相照片Fig.3 Cross-sectional metallography of different position for surface spot defect

1.2 氮濃度分布

圖4 給出了利用EPMA電子探針分析氮濃度分布的檢測結果。從圖4中一方面可以看出從表面向內側,A、B、C三個位置氮元素濃度均隨著深度增加而降低,白亮層氮濃度很高,由白亮層進入內側擴散層,氮濃度則呈現斷崖式下降,氮原子在白亮層內的擴散系數要遠低于基體內的擴散系數,擴散層厚度明顯大于白亮層厚度;另一方面可以看到C位置 (缺陷區域)無論是白亮層還是擴散層的氮濃度都低于A位置(正常區域)相應部位的氮濃度,說明齒面上的異物遮蓋會對白亮層和擴散層的氮原子向內部擴散均起到影響作用。

圖4 表面斑點缺陷不同位置的氮濃度分布結果Fig.4 Nitrogen concentration distribution of different position for the surface spot defect

1.3 相結構分析

圖5 給出了42Cr Mo結構鋼試樣未滲氮位置、齒面正常區域A位置及表面斑點區域C位置的X射線衍射圖譜。42Cr Mo合金原始試樣組織為α鐵素體+少量滲碳體,由于滲碳體數量較少,未滲氮位置X射線衍射圖譜沒有出現滲碳體衍射峰。A位置正常滲氮區域表面物相由γ′-Fe4N+ε-Fe2-3N相組成,而C位置表面斑點缺陷區域表面物相為γ′-Fe4N。滲氮過程中隨著時間延長氮元素在化合物層內累積達到一定濃度,會發生Fe4N→Fe2-3N轉變[5-6],形成雙相組織,而斑點缺陷位置的表面在相同的滲氮時間下由于殘留異物的阻礙作用導致氮元素的累積尚未達到轉變濃度,組織為單相γ′-Fe4N。

2 滲氮表面硬度

圖5 表面斑點缺陷不同位置X射線衍射圖譜Fig.5 X ray diffraction pattern of different position for the surface spot defect

圖6 給出了沿著試樣A位置和C位置截面由表及里測量顯微硬度數據繪制的硬度—深度分布曲線,從圖中可以看到,無論是A位置正常滲氮區域還是C位置表面斑點缺陷中心區域,從表面到內部,硬度均逐漸降低,相同深度情況下,正常區域的硬度值要高于缺陷區域的硬度值。根據國家標準GBT 11354—2005規定,從試樣表面測至比基體維氏硬度值高HV0.25N0.50 GPa處的垂直距離為滲氮層深度,可以得到A位置截面總滲層深度約400μm,C位置截面總滲層深度約140μm。依據標準得到的滲氮層深度大于圖3直接看到的化合物層深,原因是在滲氮過程中,除了形成氮化物層,還形成硬度值高于基體的氮原子擴散層,化合物層深度和擴散層深度決定了處理工藝中的滲氮時間,且實踐證明深度值與滲氮時間平方根成正比[7]。

圖6 表面斑點缺陷不同位置硬度—深度分布曲線Fig.6 Hardness-depth profile of different position for the surface spot defect

3 缺陷成因及消除措施

結合前述檢測分析數據,表面斑點缺陷區域的化合物層厚度和氮濃度均顯著降低,組織為單相γ′-Fe4N,顯微硬度由HV0.25N6.15 GPa降低至HV0.25N5.10 GPa,可知齒形聯軸器內外齒部位出現顏色略深、金屬光澤暗淡的表面斑點缺陷的直接原因是該區域的氮濃度、物相構成有別于正常區域。這類缺陷的危害是導致滲氮零部件局部區域滲氮層深度不達標,硬度值偏低,耐蝕性下降,耐磨性和抗疲勞性能降低,直接影響零部件的服役性能,在滲氮處理過程中要避免出現這類缺陷。裝爐前清洗加工零件,并用汽油或酒精等脫脂,保證待滲氮區域表面干凈整潔是防止出現這類缺陷的有效措施,如果已經出現表面斑點缺陷需要設計合理的滲氮返修工藝消除不利影響。

核主泵齒形聯軸器工作環境苛刻,運行安全性要求高,包括滲氮在內的每一道加工工序質量控制都要嚴格,對發生的缺陷認真分析原因,采取相應的對策,就會減少甚至避免缺陷的產生,保證核主泵齒形聯軸器的加工質量。