襯套滲氮異常組織產生的原因及處理

■ 張宇慶

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滲氮就是將鋼鐵零件置于活性氮介質中，在一定溫度和保溫時間下，使其表面滲入氮元素的工藝過程。滲氮表面具有高硬度、高耐磨性及高的殘余壓應力，并且零件變形小，同時具有良好的耐蝕性。適合于要求變形小、尺寸穩定性高、耐磨性好的零件，如精密機床上的齒輪、主軸等。本文論述的襯套就屬于這種零件。

襯套（見圖1）是分配機構中的關鍵部件，其加工的精度直接影響液壓機構的運行狀況，從而影響操縱的穩定性。

1. 問題的提出

襯套的熱處理要求：進行滲氮處理，滲氮層0.3～0.6mm，硬度≥600HV。襯套經滲氮處理后，在部件的裝配過程中，發現個別零件出現了掉塊現象。經過檢查，掉塊均在尖角和邊角處出現。為了探究掉塊的原因，隨機在零件的掉角處進行了線切割加工，取樣進行金相組織檢驗。零件試樣在進行金相檢驗時，發現滲氮組織中出現了網狀滲氮物（見圖2）。按照GB/T11354——2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的規定，評定滲氮物網狀組織達到了5級，屬于嚴重不合格組織。

圖1 襯套結構

圖 2

2. 原因分析

由于滲氮生產我們是首次進行，這方面的經驗不是很多，通過咨詢和查閱資料，分析產生此種異常組織的原因主要是：在滲氮生產過程中，爐內的氮勢過高，造成零件的表面氮原子聚集，先滲入的氮原子沒能及時向零件內部擴散，隨著零件表面滲入的氮原子不斷增加，在零件的表面聚集越來越多，最終逐漸形成了網狀組織。這種情況往往會出現在零件的尖角和銳邊，零件的實際情況也是如此。推斷滲氮過程中出現氮濃度過高的原因大致有以下幾種原因：

（1）滲氮過程中，爐內的氨分解率出現了波動，沒能及時調整，或設備狀況出現異常，都有可能影響爐內的滲氮氣氛，從而導致零件表面出現非正常的組織。

（2）滲氮開始時，爐內在建立起必要的濃度梯度后，氮原子通過表層向內部進行擴散。而當爐內的氨分解率出現波動時，在隨后的擴散過程沒能及時進行調整，爐內的氮勢高，勢必造成了在零件表面聚集大量的氮原子，并逐漸形成了網狀組織。

（3）由于零件表面的氮勢過高，在冷卻過程中也易出現脆性相，使滲層脆性增加。

（4）零件邊角若毛刺、銳邊過大，滲氮過程中也會增加了氮原子聚集的傾向，從而出現網狀組織。

（5）液氨的含水量過高，影響滲氮過程中爐內的滲氮氣氛，即爐內的雜質多，也會影響滲氮的質量。

3. 滲氮工藝的改進及效果

根據以上的原因分析，在隨后的滲氮工藝運行中，將工藝進行了適當變動，主要有以下幾點：

（1）氨分解率是滲氮工藝過程中一個重要參數，它的高低直接影響工件表面的吸氮速度。氨分解率對滲層硬度及層深的影響，主要表現在滲氮開始的幾小時或十幾小時內。因此，滲氮初期選用較低的氨分解率（即足夠高的爐氣氮勢），將強滲階段的氨分解率調整為33%，以便在較短時間內建立起必要的濃度梯度；擴散階段的氨分解率調整為55%，這樣做的目的就是降低滲氮爐內的氮勢，減少零件的滲氮組織出現滲氮物級別增高的可能性，并適當地降低零件的滲氮層硬度。

（2）為了預防ε相脆性過大而不合格，將氨分解率調整為80%以上，進行退氮處理和擴散處理，目的是降低滲氮爐內的氮勢，控制零件表面的氮濃度，從而保證零件的滲氮組織不出現嚴重的網狀組織。

（3）為了避免零件在滲氮過程中邊角處出現滲氮物聚集的現象，將零件進行鍍錫處理，并嚴格控制零件的鍍錫層厚度，保證鍍錫層的厚度在0.004～0.008mm。若鍍錫層鍍薄，則不會起到防滲作用；鍍層過厚，在滲氮時，鍍錫層就會出現流淌現象，影響滲氮面的滲氮質量。經過試驗，鍍錫層的厚度控制在0.004～0.008mm，防滲效果是最好的。

（4）選用GB536—1988《液體無水氨》中規定的濃度為99.9%的液氨，避免氨氣在進入爐內產生水汽，從而影響爐內的滲氮效果。

（5）將輸氣方式由原來的單瓶連接變為匯流排連接，這樣就能有效地避免換液氨瓶時出現雜氣渾入爐內的現象，從而保證了氨氣供應的連續性。

（6）根據滲氮過程的各階段的實際情況，適時地調整設備的排氣開關，控制氨氣的流量，調節爐氣壓力，以保證爐內的氮勢控制在合理的范圍內。

（7）根據零件的裝爐數量，適時延長滲氮的保溫時間，從而更好地保證滲氮層深度。

通過采取以上幾種有效的技術措施，并在實際生產中，控制氨分解率的大小，逐漸摸索出了解決滲氮問題的辦法，零件的滲氮效果得到了很大的提高。經過金相檢驗，滲氮組織中沒有發現網狀滲氮物，完全符合GB/T11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中規定的要求，能夠達到二級，脆性檢查1級，零件的滲氮硬度控制在780～840HV，完全符合圖樣中的技術要求（見圖3）。

滲氮后的零件在隨后的磨削工序和裝配過程中，均沒有發現掉塊、裂紋等缺陷。經過試生產解決了滲氮過程中出現的滲氮組織不合格、防滲氮物聚集的鍍錫層流淌等問題，從而保證了生產的正常進行。

圖 3

4. 結語

零件在進行滲氮處理時，由于滲氮介質氨氣質量不穩定，滲氮爐內的氨分解率的不穩定，直接影響氮勢的穩定性。如果不及時調整氨氣的流量，氨分解率不能及時得到控制，零件的滲氮組織就會出現不合格現象，導致零件出現廢品。因此在滲氮過程中，要實時監控，嚴格控制溫度、氨分解率等工藝參數，保證滲氮工藝的正常運行。