25Cr3MoA鋼轉(zhuǎn)子組件氣體滲氮后“黑線”組織分析及改進(jìn)

徒玉龍，渠曉陽，郭建寧

中航工業(yè)金城南京機(jī)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(qiáng)度的一種化學(xué)熱處理方法。經(jīng)其處理過的零件會(huì)獲得高的硬度和耐磨性、高的疲勞性能、變形小而規(guī)律性強(qiáng)、較高的抗“咬卡”性能以及較高的耐蝕性能等，故而廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[1]。在生產(chǎn)過程中，某型25Cr3MoA鋼轉(zhuǎn)子組件在氣體滲氮后，金相檢查滲層組織時(shí)發(fā)現(xiàn)存在“黑線”組織，本文對(duì)此滲氮后“黑線”組織產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析并提出解決方案。

1 轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

轉(zhuǎn)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(yàn)。

2 滲氮工藝過程及結(jié)果

圖1 轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)

滲氮處理采用的設(shè)備為尼翠斯氣體滲氮爐，滲氮處理前依據(jù)生產(chǎn)程序軟件進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置（見表1），在（500±5）℃下保溫50min進(jìn)行強(qiáng)滲，氨分解率為21%，在（530±5）℃下保溫800min進(jìn)行擴(kuò)散，氨分解率為79%。經(jīng)此程序滲氮后，對(duì)滲層及中心進(jìn)行金相檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)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(rèn)為，滲氮產(chǎn)生金相組織不合格的原因主要是氣氛氮?jiǎng)葸^高、滲氮溫度過高和滲氮前處理時(shí)發(fā)生表面脫碳或細(xì)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(wǎng)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(fā)現(xiàn)明顯的脫碳及晶粒粗大現(xiàn)象。

表1 滲氮工藝參數(shù)

圖2 氣體滲氮后滲層組織

對(duì)“黑線”組織進(jìn)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(yīng)為與基體不同的物質(zhì)，能譜線掃描顯示，凸起部位含氮高于基體。

圖3 對(duì)“黑線”組織進(jìn)行能譜線掃描

由圖3可以看出，“黑線”組織可以認(rèn)定為其為波紋狀氮化物。滲層中產(chǎn)生網(wǎng)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?jiǎng)葸^高及表面脫碳嚴(yán)重等[2]。依據(jù)以上原因?qū)υO(shè)備及使用氨氣進(jìn)行檢查，設(shè)備質(zhì)量流量計(jì)、爐溫均勻性均未發(fā)現(xiàn)異常，更換瓶裝氨氣后仍發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)明顯的脫碳及晶粒粗大現(xiàn)象。

同時(shí)，因車間供氣條件改變，在實(shí)際生產(chǎn)過程中使用液氮轉(zhuǎn)化的氮?dú)?，因此懷疑氣體滲氮使用的氮?dú)?，由液氮?dú)饣⒘鬓D(zhuǎn)至氮?dú)獍螅谕ㄍ鶟B氮爐過程中存在異常，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在氣體滲氮程序未更改的前提下，僅對(duì)使用的氮?dú)膺M(jìn)行更改，用高純氮（99.999%）作為排氣及淬火冷卻介質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，滲氮層未發(fā)現(xiàn)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(shí)氣體滲氮過程中氮?dú)鈱?duì)組織的影響，在氣體滲氮程序未更改的條件下，僅對(duì)使用的氮?dú)膺M(jìn)行更改，用純氮（99.99%）作為淬火冷卻介質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，滲氮層局部存在斷續(xù)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(jié)論與建議

氣體滲氮后在滲層位置發(fā)現(xiàn)的“黑線”組織屬于波紋狀氮化物，在實(shí)際生產(chǎn)過程中使用液氮轉(zhuǎn)化的氮?dú)庾鳛檩o助用氣時(shí)，需排查氮?dú)獍肮艿纼?nèi)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(zhì)，可以有效避免“黑線”組織的產(chǎn)生。