1Cr11Ni2W2MoV耳環(huán)螺栓氮化后腐蝕和網(wǎng)狀氮化物故障分析

■ 侯磊 劉瑤/四達(dá)機械制造公司

1 故障現(xiàn)象

1Cr11Ni2W2MoV鋼是馬氏體型熱強不銹鋼，其室溫抗拉強度、持久強度極限及蠕變極限均較高，并有良好的韌性和抗氧化性能，適于制造在550℃以下及高濕條件下工作的承力件。500℃以下工作的耐磨工件可進(jìn)行氮化處理。但是，氮化過程中會產(chǎn)生沿晶界分布與表面平行的脈狀氮化物，嚴(yán)重時連接成網(wǎng)狀，嚴(yán)重的網(wǎng)狀氮化物會造成材料韌性降低、脆性增加、耐沖擊性能減弱、耐蝕耐磨性能下降，易導(dǎo)致工件發(fā)生疲勞斷裂[1]。

1Cr11Ni2W2MoV耳環(huán)螺栓采用氣體氮化處理，研磨后內(nèi)球面出現(xiàn)規(guī)律的片狀類腐蝕缺陷。金相檢查發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)球面部分區(qū)域及尖角處的氮化組織中存在較嚴(yán)重的網(wǎng)狀氮化物，滲氮層組織為氮化索氏體+局部網(wǎng)狀氮化物，滲氮層組織不合格。

2 工作原理

2.1 耳環(huán)螺栓工作原理

1Cr11Ni2W2MoV耳環(huán)螺栓（見圖1）裝于某型發(fā)動機抽氣節(jié)氣門上，與主機操作連桿相連接，內(nèi)球面與球體軸承配合，經(jīng)氮化處理增加耐磨性。使用時有開閉兩個動作，動作時球體軸承與耳環(huán)螺栓內(nèi)球面摩擦，工件外涂黃油防銹。

圖1 耳環(huán)螺栓圖樣

熱處理內(nèi)容為：SΦ10表面滲氮，滲氮深度0.18～0.30mm，滲氮表面硬度HV≥850，芯部硬度HB3.75～3.4。

2.2 氣體氮化

氮化處理是在一定溫度下在含氮介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。工件氮化后具有優(yōu)異的表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐疲勞性得到明顯提高，相比滲碳工藝，氮化工件具有良好的耐高溫特性、抗回火軟化能力。氮化處理多用于表面硬度高、耐磨性好、抗蝕性較好及變形要求較小的精密工件[2]。

氮化方式分為氣體氮化、液體氮化、離子氮化。氣體氮化使用氨氣作為氮化介質(zhì)，在500～550℃的氮化爐內(nèi)，使氨氣（NH4）分解為活性氮原子與H2，活性氮原子通過吸收、擴散進(jìn)入工件表面，與鐵元素和合金元素形成復(fù)雜的相和氮化物，達(dá)到強化工件表面的作用。

1Cr11Ni2W2MoV是常見的氮化不銹鋼，Cr、Mo及V元素在氮化過程中與活性氮原子接觸時極易形成穩(wěn)定的高硬度氮化物，Mo元素還會降低在氮化過程中產(chǎn)生的回火脆性[3]。

3 故障分析與研究

3.1 耳環(huán)螺栓加工過程檢查

耳環(huán)螺栓涉及氮化的主要加工工藝流程為：鍛件調(diào)質(zhì)→機加成型→內(nèi)球面涂蠟保護(hù)、其余表面鍍銅→研磨內(nèi)球面至Ra0.8μm→氮化→除銅。氣體氮化后返回機加車間研磨內(nèi)球面至Ra0.8μm，研磨余量為0.02mm。

3.2 耳環(huán)螺栓理化檢查

1）耳環(huán)螺栓宏觀檢查

目視檢查工件氮化內(nèi)球面為銀灰色，工件表面平滑無凸起、無剝落，類腐蝕區(qū)域為斷續(xù)的片狀（見圖2）。非氮化面防氮化鍍銅層完好，有輕微氧化色，無腐蝕現(xiàn)象。

圖2 耳環(huán)螺栓內(nèi)表面類腐蝕缺陷

2）耳環(huán)螺栓顯微組織金相檢查

按HB5022—1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲金相組織檢驗標(biāo)準(zhǔn)》，滲層組織應(yīng)為氮化索氏體+適當(dāng)分布的氮化物。滲層中出現(xiàn)細(xì)氮化物或半連續(xù)網(wǎng)狀氮化物為合格，出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀氮化物或粗針狀氮化物為不合格。

在金相顯微鏡下檢查耳環(huán)螺栓氮化層，大部分組織為氮化索氏體+氮化物，滲層組織2級。少部分區(qū)域氮化層組織為氮化索氏體+細(xì)網(wǎng)狀氮化物，尖角處網(wǎng)狀氮化物6級，不合格（見圖3）。芯部組織為回火索氏體，氮化層白亮層≤0.025mm（見圖4）[4]。

圖3 尖角處網(wǎng)狀氮化物

圖4 內(nèi)球面芯部氮化組織照片

3.3 故障產(chǎn)生原因分析

檢查氮化過程質(zhì)量記錄及儀表記錄，氮化溫度560℃，保溫44h40min，分解率32%～37%，符合工藝要求。檢查設(shè)備儀表輔材均按周期校驗。結(jié)合以往同類工件氮化腐蝕故障原因，初步分析認(rèn)為此次故障原因為氮化催滲劑氯化銨使用不當(dāng)造成工件腐蝕，包括：氯化銨添加過量，分解過量；氯化銨未與干燥石英砂攪拌均勻，分解不均勻；氮化爐內(nèi)和管路內(nèi)的殘余氯化銨未清理干凈，造成氯化銨總量超標(biāo)；氮化結(jié)束后工件出爐不及時，爐內(nèi)HCl與重新化合反應(yīng)生成的氯化銨附著在工件表面造成腐蝕等[5]。

經(jīng)檢查，本爐批次產(chǎn)品使用吹砂活化替代氯化銨催滲劑。對氮化設(shè)備進(jìn)行檢查，氮化爐內(nèi)壁爐口處與氮化爐管路內(nèi)均無冷凝氯化銨殘留，排除催滲劑使用不當(dāng)造成工件腐蝕的可能。使用吹砂替代氯化銨的做法符合HB 79—1995《航空結(jié)構(gòu)鋼及不銹鋼氮化工藝說明書》“不銹鋼氮化前可采用吹砂或化學(xué)活化處理”的活化規(guī)定。

對加工車間送修的未氮化處理的耳環(huán)螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)球面粗糙度嚴(yán)重超差，存在明顯的“震刀”痕跡（見圖5），即內(nèi)球面不滿足圖紙Ra0.8μm技術(shù)要求。經(jīng)檢查，車削過程中使用的是專用成型刀，刀具與零件內(nèi)球面接觸面積過大是產(chǎn)生“震刀”的主要原因?！罢鸬丁痹斐晒ぜ砻娌牧隙询B與刮削工件表面形成凹坑，當(dāng)凹坑深度超過內(nèi)球面研磨量時，導(dǎo)致類似片狀腐蝕故障，并非氮化過程造成的產(chǎn)品腐蝕。

圖5 氮化前內(nèi)球面加工精度不滿足技術(shù)要求

機械加工“震刀”造成工件表面加工質(zhì)量變差，形成類似魚鱗紋紋路。微觀來看，工件表面材料被刮起擠壓堆疊，相當(dāng)于在工件表面形成大量的尖角和銳邊。尖角和銳邊在氮化過程中比基體更容易接觸活性氮原子，造成此處氮濃度升高，使整個氮化表面產(chǎn)生了連續(xù)分布的網(wǎng)狀氮化物。這類脆硬的氮化物將基體晶粒隔開，嚴(yán)重破壞了金屬基體的連續(xù)性，還在晶界周圍包裹一薄層脆性相，增加了工件的脆性，降低了工件的疲勞性能[6]。

3.4 故障件處理

在電阻爐內(nèi)對故障件進(jìn)行擴散處理，將耳環(huán)螺栓裝入生鐵屑與木炭粉混合保護(hù)的實心包，在500～560℃進(jìn)行8h擴散[7]。金相檢查網(wǎng)狀氮化物有少量消除。使用真空爐擴散，延長擴散時間至20h，沿耳環(huán)直徑方向切開產(chǎn)品進(jìn)行氮化組織檢查，發(fā)現(xiàn)氮化表面尖角處連接成網(wǎng)的網(wǎng)狀氮化物明顯減少，擴散后氮化組織2級，尖角處網(wǎng)狀氮化物消除，氮化組織合格（見圖6）。

圖6 內(nèi)球尖角處氮化組織情況

4 結(jié)論

內(nèi)球面為內(nèi)圓弧槽，加工中應(yīng)分為粗、精加工。粗加工時應(yīng)使用成型刀；精加工應(yīng)選用數(shù)控車床進(jìn)行內(nèi)圓弧“走刀”，將加工余量控制在0.05～0.10mm，表面粗糙保證在Ra1.6μm，數(shù)控車加工內(nèi)圓弧后再進(jìn)行研磨，以滿足技術(shù)要求[8]。加工內(nèi)孔時如加工方法與刀具選用不合理會造成“震刀”現(xiàn)象，刮削擠壓的材料在工件表面堆積形成大量的尖角、銳邊和凹坑，使工件表面粗糙度不達(dá)標(biāo)。氮化過程中，尖角和銳邊處比平整的加工表面更容易獲得高的氮濃度，在氮化層中產(chǎn)生連續(xù)分布的網(wǎng)狀氮化物。同時，“震刀”刮削工件表面形成凹坑，凹坑深度超過內(nèi)球面磨削量，導(dǎo)致氮化后研磨工序無法完全去除內(nèi)表面凹坑，研磨后形成類似腐蝕的故障[9]。

采用數(shù)控車刀替代成型刀具加工內(nèi)球面，可有效減少刀具伸長部分，提高刀具剛性，減少“震刀”故障的產(chǎn)生。選擇合理吃刀量與進(jìn)刀量提高工件表面光潔度。車削后研磨內(nèi)球面，使內(nèi)球面達(dá)到圖紙Ra0.8μm技術(shù)要求。通過對現(xiàn)有故障件采用擴散處理并配合研磨，消除網(wǎng)狀氮化物，經(jīng)金相檢查組織合格后裝機使用。