25Cr3MoA鋼轉子組件氣體滲氮后“黑線”組織分析及改進

徒玉龍，渠曉陽，郭建寧

中航工業金城南京機電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106

滲氮是將氮滲入鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性和疲勞強度的一種化學熱處理方法。經其處理過的零件會獲得高的硬度和耐磨性、高的疲勞性能、變形小而規律性強、較高的抗“咬卡”性能以及較高的耐蝕性能等，故而廣泛應用于實際生產中[1]。在生產過程中，某型25Cr3MoA鋼轉子組件在氣體滲氮后，金相檢查滲層組織時發現存在“黑線”組織，本文對此滲氮后“黑線”組織產生的原因進行分析并提出解決方案。

1 轉子組件結構及技術要求

轉子組件材料為25Cr3MoA鋼，如圖1所示，零件除T面及柱塞孔外，整體鍍錫。滲氮深度0.15～0.35mm，柱塞孔用銅塞隔離，滲氮表面硬度≥600HV，中心硬度24～37HRC，按HB 5013—1996Ⅳ-ⅡN檢驗。

2 滲氮工藝過程及結果

圖1 轉子組件結構

滲氮處理采用的設備為尼翠斯氣體滲氮爐，滲氮處理前依據生產程序軟件進行各項參數設置（見表1），在（500±5）℃下保溫50min進行強滲，氨分解率為21%，在（530±5）℃下保溫800min進行擴散，氨分解率為79%。經此程序滲氮后，對滲層及中心進行金相檢查時發現存在除索氏體及適量氮化物外，距表面一定距離處存在“黑線”組織（見圖2）。

3 分析與討論

一般認為，滲氮產生金相組織不合格的原因主要是氣氛氮勢過高、滲氮溫度過高和滲氮前處理時發生表面脫碳或細化晶粒不夠等[1]。從圖2金相組織可以看出，氣體滲氮后局部存在網狀氮化物及異常“黑線”組織，心部組織為索氏體組織，邊緣組織未發現明顯的脫碳及晶粒粗大現象。

表1 滲氮工藝參數

圖2 氣體滲氮后滲層組織

對“黑線”組織進行電鏡及能譜分析，如圖3所示。電鏡圖片顯示，黑線為凸起物，應為與基體不同的物質，能譜線掃描顯示，凸起部位含氮高于基體。

圖3 對“黑線”組織進行能譜線掃描

由圖3可以看出，“黑線”組織可以認定為其為波紋狀氮化物。滲層中產生網狀或波紋狀氮化物的原因有，滲氮溫度過高、液氨含水量大、晶粒粗大、制件有尖角銳邊、氣氛氮勢過高及表面脫碳嚴重等[2]。依據以上原因對設備及使用氨氣進行檢查，設備質量流量計、爐溫均勻性均未發現異常，更換瓶裝氨氣后仍發現波紋狀氮化物存在。且從圖2可以看出，制件滲氮層組織未發現明顯的脫碳及晶粒粗大現象。

同時，因車間供氣條件改變，在實際生產過程中使用液氮轉化的氮氣，因此懷疑氣體滲氮使用的氮氣，由液氮氣化并流轉至氮氣包后，在通往滲氮爐過程中存在異常，需進一步進行試驗驗證。

4 試驗驗證

在氣體滲氮程序未更改的前提下，僅對使用的氮氣進行更改，用高純氮（99.999%）作為排氣及淬火冷卻介質后發現，滲氮層未發現波紋狀氮化物，滲層組織得到顯著改善（見圖4）。

圖4 氣體滲氮后滲層組織及心部組織（高純氮）

為證實氣體滲氮過程中氮氣對組織的影響，在氣體滲氮程序未更改的條件下，僅對使用的氮氣進行更改，用純氮（99.99%）作為淬火冷卻介質后發現，滲氮層局部存在斷續的“黑線”組織，滲層組織有一定的改善（見圖5）。

圖5 氣體滲氮后滲層組織及心部組織（普氮）

5 結論與建議

氣體滲氮后在滲層位置發現的“黑線”組織屬于波紋狀氮化物，在實際生產過程中使用液氮轉化的氮氣作為輔助用氣時，需排查氮氣包及管道內含水問題，建議在滲氮過程中使用高純氮（99.999%）作為淬火冷卻介質，可以有效避免“黑線”組織的產生。