解決偏心輪滲氮后出現縱向裂紋問題

侯廣庫（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧　沈陽　110043）

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解決偏心輪滲氮后出現縱向裂紋問題

侯廣庫
（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽110043）

摘要：本文研究了1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼調質處理、滲氮過程控制以及優化滲氮工藝參數。通過對國產材料1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN加工的偏心輪進行滲氮工藝試驗，解決偏心輪滲氮后零件出現縱向裂紋問題，同時確定偏心輪最佳工藝參數。

關鍵詞：1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼；調質處理；滲氮；縱向裂紋

發動機許多結構件在工作中承受著重復的沖擊載荷作用，如飛機起落架釬桿、自動武器的閉鎖、退殼機構中的承力件等，部分密封零件的設計和加工過程避免不了出現一些尖邊的情況，其滲氮后續加工常出現剝落、裂紋、磨削裂紋等現象，零件使用時易出現裂紋及脆性斷裂等問題，如發動機活塞桿、封嚴襯套等。滲碳、滲氮是改善材料表面性能的有效方法，滲氮處理是強化材料常用的方法之一。1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN 鋼是近年來常用的俄料ЗП866國產化馬氏體不銹鋼材料，主要用于發動機結構件的制造，如偏心輪、銷軸、球頭等零件，主要的熱處理工藝有調質、滲氮熱處理。在實際工程應用中其工作環境比較惡劣。然而有關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機械加工及延長使用壽命有重大的意義。

1 試驗用料、試驗方法及試驗設備

1.1 試驗用料

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

1.1.2 液氨：符合GB536中Ⅰ級品規定，含水量不大于0.2%。

1.1.3 氯化銨：GB658-88。

1.2 試驗方法

1.2.1 調質熱處理工藝

將ф18的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN鋼棒材進行調質處理，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 工藝試驗方案的制定

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

（1）溫度的影響

隨著滲氮溫度的提高，金屬中原子擴散的激活能增大，滲氮速度加快，表層氮濃度低，可能導致滲氮層硬度不足；滲氮溫度過低，氮原子擴散慢，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，而這些元素均強烈降低氮原子在鋼中的擴散系數，因此，必須通過試驗確定深度和滲氮時間的關系。

（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方案對偏心輪進行滲氮處理，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 試驗設備、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；光學金相顯微鏡等。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

表1列出了不同滲氮保溫時間及冷卻方式的試驗結果。

2.2 試驗分析

2.2.1 工藝參數選擇

按方案1、2對零件進行滲氮處理后，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，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部擴散的情況下，極易形成ξ相和ε相脆性層組織，即白層。當氮濃度大于11.4%，溫度低于500℃則會產生ξ相，白層中一旦出現ξ相，則滲層脆性很高。

（2）零件結構影響

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存在尖邊和尖角，并且零件小端桿部預留8mm的切斷加工余量，滲氮前對非滲氮表面進行鍍銅保護，小端面的頂針孔及桿部預留的8mm區域未進行鍍銅保護，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：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，發生共析轉變：γ-γ’＋α，若在γ相區快速冷卻（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構影響，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，由于該處的組織應力很大，超過了材料的抗拉強度，使其沿縱向產生裂紋。

表1　滲氮試驗結果

結論

（1）試驗確定了偏心輪最佳工藝參數及工藝方法。

（2）采用上述工藝制度生產的偏心輪各項技術指標滿足設計和工藝的要求，零件表面無裂紋產生。

參考文獻

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

中圖分類號：TG249

文獻標識碼：A