不銹鋼氣體滲氮裂紋的控制

游平平，張志貴，徒玉龍

南京機(jī)電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106

1 序言

近幾年，我們陸續(xù)在許多不銹鋼滲氮零件上發(fā)現(xiàn)滲氮裂紋現(xiàn)象，如在某型花鍵軸的齒部、某型導(dǎo)向柱球面發(fā)現(xiàn)滲氮裂紋，造成多個(gè)不銹鋼滲氮產(chǎn)品在我公司不能順利生產(chǎn)。因此，我們大量采用外協(xié)加工的方式解決滲氮生產(chǎn)問(wèn)題，在外協(xié)加工的過(guò)程中，以離子滲氮的方式生產(chǎn)的零件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋問(wèn)題，但以氣體滲氮的方式生產(chǎn)的零件仍然存在滲氮裂紋問(wèn)題。由于離子滲氮需要設(shè)計(jì)專用工裝保護(hù)非滲氮面，因此對(duì)于形狀復(fù)雜不易保護(hù)的零件和深孔滲氮件，不宜采用離子滲氮。

目前，我公司只有氣體滲氮設(shè)備，因此著眼于自有設(shè)備，通過(guò)改進(jìn)工藝方法，來(lái)消除滲氮裂紋隱患，滿足公司生產(chǎn)需求，減少對(duì)外協(xié)加工的依賴，對(duì)保障產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度大有益處。

2 不銹鋼滲氮裂紋分析

通過(guò)調(diào)研外協(xié)單位與我公司在滲氮熱處理工藝方法的差異和產(chǎn)生裂紋的共性，分析滲氮過(guò)程產(chǎn)生裂紋的原因。普通合金鋼使用多種滲氮工藝方法都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)滲氮裂紋問(wèn)題，而不銹鋼，如2Cr13、1Cr11Ni2W2MoV等不銹鋼經(jīng)過(guò)多種滲氮工藝方法處理后，發(fā)現(xiàn)滲氮面不同程度地存在裂紋。

不銹鋼含有較多的合金元素，阻礙氮原子的擴(kuò)散，使?jié)B氮速度減慢，滲氮層深度較薄[1]。不銹鋼與普通合金鋼最大的區(qū)別是Cr含量，如常用合金滲氮鋼38CrMoAl中wCr為1.35%~1.65%，而常用滲氮不銹鋼2Cr13、1Cr11Ni2W2MoV中wCr都在10.5%以上。Cr元素化學(xué)性質(zhì)活躍，在450℃以上溫度環(huán)境中，易與N元素結(jié)合成CrN。CrN是一種穩(wěn)定的高硬度組織，CrN的存在大大提高了滲氮層的硬度，同時(shí)也會(huì)增加滲氮層的脆性，而脆性高就會(huì)增加產(chǎn)生裂紋的可能。N元素在不銹鋼滲氮過(guò)程中的擴(kuò)散速度明顯要低于在合金結(jié)構(gòu)鋼的擴(kuò)散速度，這樣就導(dǎo)致在同等滲氮深度條件下，不銹鋼滲氮時(shí)間要明顯長(zhǎng)于合金結(jié)構(gòu)鋼滲氮時(shí)間，這也是Cr含量差距大造成的結(jié)果。

與普通合金鋼相比，不銹鋼滲氮后硬度提高更顯著，同時(shí)由于在不銹鋼基體中的擴(kuò)散速度要慢于合金鋼，因此會(huì)導(dǎo)致滲氮過(guò)程中不銹鋼滲氮層的氮濃度梯度更大，這樣會(huì)造成兩個(gè)不利影響，一個(gè)是脆性大，另一個(gè)是氮濃度高導(dǎo)致表層畸變大，且畸變應(yīng)力也會(huì)增高，這兩個(gè)因素都會(huì)增加滲氮層裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

3 試驗(yàn)與工藝驗(yàn)證

不銹鋼滲氮產(chǎn)生裂紋的零件主要集中在2Cr13和1Cr11Ni2W2MoV這兩種材料，而易產(chǎn)生裂紋的部位往往又與零件的結(jié)構(gòu)尺寸有相關(guān)性。特別是滲氮面部位的曲率半徑，對(duì)滲氮裂紋缺陷有顯著的影響。因此，在滲氮試驗(yàn)中應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)尺寸的影響，如某導(dǎo)向柱滲氮面為φ4mm球面，半徑小、曲率大會(huì)導(dǎo)致N濃度梯度加大，增加了開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 試樣的選擇

選取2Cr13和1Cr11Ni2W2MoV兩種材料的棒材，規(guī)格為φ12mm×220mm，各兩根，加工成試樣，為了區(qū)分材料，試樣做成不同尺寸并刻編號(hào)，見(jiàn)表1。

表1 試樣材料及規(guī)格

3.2 滲氮處理前的預(yù)備熱處理

為了保證心部硬度，3種規(guī)格的材料先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)工藝為：真空爐淬火1010℃×50min油冷，井式爐600℃回火×90min油冷。調(diào)質(zhì)工藝見(jiàn)表2。

表2 調(diào)質(zhì)工藝和結(jié)果

3.3 滲氮工藝試驗(yàn)

滲氮工藝試驗(yàn)采用1#、2#、3#試樣同爐熱處理，每爐每種試樣裝2個(gè)。在不同的工藝條件下進(jìn)行工藝試驗(yàn)，滲氮處理采用的設(shè)備為尼翠斯氣體滲氮爐。常用的不銹鋼滲氮工藝主要過(guò)程為：①通氨排氣。②活化。③500℃強(qiáng)滲1.5h。④570℃擴(kuò)散。⑤高流量冷卻。

控制裂紋傾向主要從第3段和第4段調(diào)整，以降低裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。歐美國(guó)家針對(duì)不銹鋼滲氮時(shí)，推薦強(qiáng)滲處理時(shí)間為1.5~2.5h。針對(duì)不銹鋼滲氮易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，我們認(rèn)為引起裂紋的主要原因是滲氮后滲氮層脆性顯著增加，同時(shí)滲氮層的氮濃度梯度大引起表層畸變應(yīng)力過(guò)大。因此，滲氮工藝改進(jìn)的總體思路是適當(dāng)降低氮濃度，同時(shí)要保證產(chǎn)品滲氮層的硬度、深度和金相組織要求。而降低氮濃度主要通過(guò)調(diào)整時(shí)間參數(shù)t和氮?jiǎng)軰N。

1）試驗(yàn)1：無(wú)擴(kuò)散段試驗(yàn)。取消第4段擴(kuò)散工序，對(duì)比第3段強(qiáng)滲工序調(diào)整對(duì)裂紋的影響。圖1是2Cr13鋼強(qiáng)滲50min的金相組織，圖2是2Cr13鋼強(qiáng)滲2.5h后的金相組織。

圖1 2Cr13鋼強(qiáng)滲50min無(wú)擴(kuò)散金相組織

圖2 2Cr13鋼強(qiáng)滲2.5h無(wú)擴(kuò)散金相組織

從試驗(yàn)1調(diào)整強(qiáng)滲時(shí)間無(wú)擴(kuò)散工藝對(duì)比可以看到，滲氮層表面均出現(xiàn)了滲層脫落現(xiàn)象，圖2比圖1中的滲層組織脫落更嚴(yán)重，因此增加強(qiáng)滲時(shí)間會(huì)增加邊沿脫落的風(fēng)險(xiǎn)。圖1、圖2中的滲層組織都出現(xiàn)了明顯的白亮層，為不合格組織。試驗(yàn)表明，強(qiáng)滲容易形成高脆性的滲氮層，強(qiáng)滲時(shí)間越長(zhǎng)，脆性越大。

圖3 2Cr13鋼1#試樣滲氮金相組織

2）試驗(yàn)2：按常用工藝強(qiáng)滲處理和擴(kuò)散。試驗(yàn)2三種試樣同爐，滲氮工藝采用強(qiáng)滲500℃×1.5h，擴(kuò)散570℃×22.5h。圖3為2Cr13鋼1#試樣滲氮金相組織，圖4為1Cr11Ni2W2MoV鋼2#試樣滲氮金相組織，圖5為1Cr11Ni2W2MoV鋼3#試樣滲氮金相組織。

圖4 1Cr11Ni2W2MoV鋼2#試樣滲氮金相組織

圖5 1Cr11Ni2W2MoV鋼3#試樣滲氮金相組織

從圖3~圖5可以看出，采用擴(kuò)散工藝后，所有滲層組織都消除了白亮層，圖3未見(jiàn)明顯裂紋，表層有脫落現(xiàn)象，圖4未見(jiàn)明顯裂紋，表層有脫落現(xiàn)象（表層脆性大，拋光形成的脫落），圖5能見(jiàn)到滲層裂紋。

3）試驗(yàn)3：按改進(jìn)工藝強(qiáng)滲處理和擴(kuò)散。為了降低滲氮層的氮濃度，我們主要工作放在第3段調(diào)整上。在第3段有兩種方式可以調(diào)整氮濃度，一個(gè)是控制強(qiáng)滲時(shí)間，另一個(gè)是調(diào)整氮?jiǎng)軰N，通過(guò)縮短強(qiáng)滲時(shí)間或降低氮?jiǎng)?，都可有效地降低滲層表面氮濃度。降低氮?jiǎng)菔峭ㄟ^(guò)調(diào)整氨分解率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，降低氮?jiǎng)萃瑫r(shí)會(huì)降低N原子的擴(kuò)散速度。為了保證滲氮深度，需要增加擴(kuò)散時(shí)間，由于滲氮本身周期長(zhǎng)，因此用增加擴(kuò)散時(shí)間來(lái)保證滲氮深度既不經(jīng)濟(jì)，工藝變動(dòng)過(guò)大，可靠性也不強(qiáng)。我們通過(guò)縮短強(qiáng)滲時(shí)間來(lái)降低氮濃度。為了保證滲氮層硬度滿足要求，強(qiáng)滲時(shí)間不能太短，特別是有一定滲氮深度要求的滲氮零件，強(qiáng)滲時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致表層硬度不足。

將經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的不銹鋼試件進(jìn)行滲氮處理，第3段強(qiáng)滲時(shí)間改為45min，KN=0.5%，擴(kuò)散時(shí)間為30h，三種試件進(jìn)行同爐滲氮試驗(yàn)。圖6為工藝改進(jìn)后2Cr13鋼1#試樣滲氮金相組織，圖7為工藝改進(jìn)后1Cr11Ni2W2MoV鋼2#試樣金相組織，圖8為工藝改進(jìn)后1Cr11Ni2W2MoV鋼3#試樣金相組織。

圖6 工藝改進(jìn)后2Cr13鋼1#試樣金相組織

圖7 工藝改進(jìn)后1Cr11Ni2W2MoV鋼2#試樣金相組織

圖8 工藝改進(jìn)后1Cr11Ni2W2MoV鋼3#試樣金相組織

從圖6~圖8可以看出，滲氮層表面都沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，拋光處理后表層也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象。脆性檢查均為Ⅰ級(jí)。

表3 三組滲氮試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 試驗(yàn)總結(jié)

三組滲氮試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

通過(guò)以上三組試驗(yàn)對(duì)比可以看出，不銹鋼滲氮產(chǎn)生裂紋的主要原因是由于Cr含量高，滲氮后高含量的CrN組織增加了滲層脆性，同時(shí)增加了畸變應(yīng)力。強(qiáng)滲導(dǎo)致零件表面氮濃度高，過(guò)飽和的合金滲氮物明顯增加了滲層的脆性，當(dāng)零件滲氮面曲率半徑小，或存在齒邊、尖邊時(shí)，脆性大的滲氮層會(huì)出現(xiàn)明顯的脫落和裂紋。強(qiáng)滲階段是N原子快速與合金元素結(jié)合的過(guò)程，強(qiáng)滲時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)明顯提高零件脆性。試驗(yàn)3表明，適當(dāng)縮短強(qiáng)滲時(shí)間可降低氮濃度，降低滲氮層脆性，滲氮層的脫落和裂紋傾向?qū)⒋蟠鬁p弱。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工藝試驗(yàn)和產(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)，采用氣體滲氮的方式，不銹鋼滲氮裂紋是可以避免的。通過(guò)采用縮短強(qiáng)滲時(shí)間的方式，適當(dāng)降低表面氮濃度，可降低裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于存在齒面、尖邊、曲率半徑小的滲氮零件，需要特別注意滲氮裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)滲氮層深度要求很淺（如深度要求0.1mm左右）的零件，強(qiáng)滲時(shí)間縮短是較好的選擇。