4Cr14Ni14W2Mo零件滲氮后磨削掉塊原因分析

李麗 焦文建 胡桂英 張桂

摘要：從分析滲氮零件材料性能入手，采用對比方法，研究了零件化學成分、組織、硬度、裂紋形貌等特征以及滲氮原理、過程等相關因素，在總結前人經驗的基礎上，找到了4Cr14Ni14W2Mo材料類零件滲氮后磨削掉塊原因，為相關工作提供參考。

關鍵詞：滲氮層；掉塊；水分；冶金缺陷

Keywords：nitrided case；drop blocks；water；metallurgical defect

0 引言

航空發動機排氣活門、襯套和緊固件等零件的材料多為4Cr14Ni14W-2Mo。為了提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蝕性等綜合性能，該類零件一般采用二段氣體滲氮工藝，滲氮層深度大多要求在0.1mm以上。但是該類零件滲氮過程中，因滲氮氣氛控制不好容易出現異常，導致滲層深度不夠、滲層網狀組織、化合物疏松等缺陷。這些缺陷如果沒有被及時發現而消除，那么在后續磨削工序中將出現滲層掉塊、裂紋等現象。若缺陷零件裝上發動機，還會因零件滲氮層出現掉塊、產生裂紋而失效，從而引發飛行事故，嚴重威脅飛行安全。例如，某機型附件上噴嘴零件，在使用一個壽命后分解發現零件滲氮層嚴重脫落；某廠在磨削滲氮零件滲氮面時，發現7個批次的4Cr14Ni14W2Mo零件滲氮層出現不同程度的掉塊現象，導致零件全部報廢。因此，開展該種材料零件滲氮層掉塊原因分析顯得十分必要。

1 試驗材料

4Cr14Ni14W2Mo鋼屬于中碳奧氏體型熱強鋼，一般推薦采用電渣重熔或其他爐外精煉法生產；經820℃～850℃退火后的組織為奧氏體+碳化物；在700℃以下有良好的熱強性能，在800℃以下有良好的抗氧化性能；作為滲氮鋼使用時，為改善零件滲氮層質量，防止滲氮層剝落，要求鋼材具有均勻細小的等軸晶粒，氮化物顆粒細小、分布均勻。標準中要求晶粒度不小于6級，對氮化物分布及形態未作明確的要求。

2 試驗方法與結果

從某廠7批零件中隨機選取3件故障件作為試樣，編號分別為0129、0755、0682，另從庫存中選取1件同圖號合格零件作為對比試樣，編號為 2723；試樣材料為4Cr14Ni14W2Mo，規格為φ10×20mm。

2.1 化學試驗

用機加方法將試樣表面氮化層去除后，加工成粉末，用SPECTRO ARCOS型ICP、CS878型紅外碳硫分析儀、TCH600氧氮氫聯測儀分析主要化學成分，結果見表1。

2.2 金相試驗

1）心部檢查

將試樣制成金相切片后，在GX71金相顯微鏡下觀察，其心部組織、晶粒度、夾雜物評定結果均符合標準（見表2）。

2）滲層組織檢查

將試樣從中部切開，制樣后分別在GX71金相顯微鏡及EVOMA15電鏡下觀察，發現試驗掉塊形貌為沿晶斷裂；滲層內有徑向及周向裂紋；用3%～5%硝酸酒精溶液浸蝕后，發現滲層組織表面與內部有明顯差異，還有網狀及粗脈狀氮化物存在，與2723號試樣相比，組織有明顯差異（見圖1～圖6）。圖2、圖3與典型的表面化合物疏松層（圖7）有許多相似之處：表層附近組織形貌與近表層正常滲層相比有明顯差異，顏色明顯偏淺，中間灰色小點和灰帶為氧化物與疏松的可能性極大。

2.3 裂紋形貌觀察

在電鏡及金相顯微鏡下觀察，與典型的磨削裂紋（見圖8）相比，圖2的裂紋只具有磨削裂紋的部分特點。圖8裂紋首先在零件表面開裂，然后垂直向截面內部擴展成外闊內尖的楔形裂口，基本上為沿晶裂紋，但圖2的裂紋大體上分為兩個部分，開口處及附近為穿晶裂紋，余下部分為沿晶裂紋。圖3的裂紋為周向裂紋，不具有磨削裂紋的特點。

2.4 能譜分析

用SYSTEM7型能譜儀分析試樣滲層成分（見圖9），發現滲層表面碳含量先從5.22%到6.87%增加，增加到6.6%左右后碳含量在6.6%～6.4%之間波動；氮含量總體沒有大的差異，但在近表層組織顏色偏淺的部位晶界氮含量同比顏色正常的位置高；晶內氮含量剛好相反，顏色正常的位置高于顏色偏淺的位置；而Cr、Ni、Mo、W 等其他主要元素沒有明顯差異。

2.5 脆性檢查

按HB5022-94檢查試樣脆性，均為1級，符合標準。

2.6 滲氮層硬度檢查

用金相砂紙輕磨試樣表面去除氧化物及污物后，進行硬度測量，測試結果見表3；將試件鑲樣后制成金相試樣，用DuraScan-50顯微硬度計測試從表面到心部的硬度變化，結果見表4，測試間距為0.02mm，載荷為100g。

2.7 生產現場檢查

為進一步了解情況，到滲氮現場檢查，發現滲氮采用RX-75-10型少氧化箱式電阻爐，氨氣流量計中有液態水存在，硅膠已成粉紅色。

3 分析與討論

3.1 滲氮層中出現化合物層疏松、網狀、脈狀氮化物的原因

1）滲氮原理

滲氮包括氣氛形成、吸附、分解、吸收和擴散五個基本過程。采用氨氣作為滲氮介質，在滲氮溫度時，氨是亞穩定的，它發生分解反應，分解為H2及活性氮原子[N]，活性氮原子遇到鐵原子而發生一系列反應而被工作表面吸收，剩余的活性氮原子很快結合成分子態N2，與H2一起從廢氣中排出。鋼表面吸收的[N]，溶解在α-Fe中組成固溶體，飽和后形成氮化物。隨著表面含氮量的提高，α固溶體中形成表面至心部的氮的濃度梯度，氮原子不斷地向內擴散，逐漸形成滲氮層。在氮化過程中還有氫的滲入，這將導致氮化層脆性增加，氮化后緩冷時大部分氫可以逸出，其影響不大。但若氨氣中水太多，會破壞滲氮氣氛，[N]分壓減少，H滲入量增加，在滲層中形成孔洞或微孔，還會在組織中產生少量氧化物。

2）零件滲氮工藝

滲氮前經（800～900）℃±10℃、保溫3～8h后空冷，組織奧氏體+氮化物。采用二段氣體滲氮工藝：（500～600）℃±5℃后保溫40～60h后將氨氣分解率由30%～60%調整到40%～70%，升溫到（550～650）±5℃，保溫2h后停止加熱，繼續通氨氣至箱溫降至200℃及以下時，停止供應氨氣，拆箱取零件。氨氣用硅膠干燥劑進行凈化過濾，硅膠干燥劑使用超過三個月或硅膠顏色呈玫瑰色或紫色時，應進行烘干活化處理或進行更換?；罨に嚕海?30～160）℃±20 ℃，保溫3 h～8 h，空冷。在箱內放入適量的化學純去水氯化銨活化滲氮表面，除去表面鈍化膜。

3）滲氮層掉塊、裂紋原因

相關資料顯示，在滲氮過程中，由于爐內溫度控制不當、滲劑組分不合理、滲氮前原始組織過于粗大、表面脫碳等原因都可造成滲氮后滲層組織不正常，最常出現的缺陷有化合物層疏松、網狀氮化物、脈狀氮化物及針狀氮化物。

在滲氮特別是氮碳共滲后，滲層的化合物層會出現細小分布的微孔或者孔洞，這些孔洞或微孔在光學顯微鏡下，可直接從滲氮層金相試片上觀察到。由于微孔的大小、數量和分布不同，對性能的影響也不同。微孔的存在可儲存潤滑油，降低磨擦系數，但級別過高時將增大脆性，易起皮剝落?；衔飳邮杷啥喟l生在氮碳共滲或高氮勢長時間氣體滲氮的情況下，這是由于亞穩定的高氮相化合物在滲氮過程中發生分解，析出氮分子而留下氣孔所致。當爐氣中NH3含量超過某一數值時，開始出現多孔性表面，隨著爐氣中NH3含量的繼續增加，疏松程度就越嚴重。氣體滲氮時，化合物層出現的疏松與氨氣純度、滲層中平均氮濃度有關，如果氨氣中含有水等則易產生疏松。嚴重的疏松表層很不耐磨，在不大的外力作用下就可使該層遭受強烈磨損。這些磨損剝落的散粒在進一步的磨擦過程中，反復作用于疏松層內側表面（致密層），容易在該層中萌生裂紋，進而降低滲層的疲勞強度。

在滲氮過程中，如氨氣中水分量過多，滲層內極易在離工件表面一定距離處形成脈狀或網狀堆積的富氮帶，也即脈狀或網狀氮化物。脈狀或網狀組織屬C-N-Cr脆硬化合物，在晶界連續后將基體晶粒隔開，一方面嚴重破壞了金屬基體的連續性，另一方面又在晶界周圍包有一薄層脆性相，致使該處處于高度脆性狀態，僅在輕微扭力（磨削）作用下即使表面發生崩裂而掉塊。

3.2 滲層表面減碳、硬度不均勻原因分析

由于滲氮包中存在水分，造成了零件表面碳損失，同時表層有0.02～0.03mm的化合物疏松層，晶內氮含量也比正常情況下偏少，造成表層硬度比正常硬度低；但由于其深度較淺，只有0.03mm左右，所以在測表面硬度時，其整體硬度是合格的。

3.3 影響因素

影響化合物疏松層及網狀、脈狀氮化物產生的因素有：氨氣中含水量；滲氮零件表面脫碳情況；氨分解率；外形、表面粗糙度；滲氮前熱處理質量；滲氮時間；滲氮后冷卻速度；原材料冶金缺陷。

氨氣中含水量越高，零件表面減碳、脫碳越嚴重，越容易出現化合物疏松層及網狀、脈狀氮化物，這是最主要因素；零件外形越復雜、特別是有尖角存在、表面越粗糙，越易產生網狀氮化物；滲氮前熱處理不當，造成零件表面減碳、脫碳，晶粒粗大，會造成網狀、脈狀氮化物；氨分解率過高或過低均會產生不良影響，應控制在規定范圍內；滲氮時間越長、滲氮后冷卻速度越慢，出現化合物疏松層及網狀、脈狀氮化物的機率越大；另外，原材料有缺陷，帶狀組織及非金屬夾雜物嚴重、晶粒粗大，也會造成網狀、脈狀氮化物產生。

4 結論

1）綜合以上試驗及分析，引起這幾批零件磨削掉塊進而產生表面裂紋的原因是滲氮層中出現化合物疏松層及網狀、脈狀氮化物。

2）滲層中出現化合物疏松層及網狀、脈狀氮化物的主要原因是氨氣干燥不充分、較多水分進入滲氮包以及長時間滲氮造成的。

3）建議措施

更換干燥劑或烘干干燥劑，加強對干燥劑的檢查力度；常查爐體密封情況，消除管道、設備內積水；增加滲氮后加工余量，將化合物疏松層在后續加工中去除。

參考文獻

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