1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼氮化表面磨削黑點原因分析

田秦冠

（中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，四川 成都 610503）

1Cr11Ni2W2MoV屬于馬氏體型熱強不銹鋼，其室溫強度、持久極限以及蠕變極限均較高，尤其是韌性與抗氧化。為了提高表面耐磨性對材料進行滲氮，在對滲氮層表面進行磨削加工時候，磨削表面發(fā)現(xiàn)黑點，經(jīng)分析得出，該黑點為磨削表面晶粒沿晶界開裂掉落所致。本文就該現(xiàn)象初步分析了黑點出現(xiàn)的原因。

1 試驗與方法

本試驗采用φ35的1Cr11Ni2W2MoV材料，首先將材料進行淬火回火后，車加工掉氧化層，再在尼萃斯氮化爐中對試樣600℃保溫滲氮。滲氮后采用線切割并制備金相試樣，采用掃描電鏡以及金相顯微鏡對氮化層組織進行觀察，采用XRD洐射分析對材料物相進行檢測。

2 試驗結(jié)果

將氮化試樣線切割然后進行金相組織觀察，在試樣拋光態(tài)下發(fā)現(xiàn)滲氮層近表層存在裂紋，該裂紋深度約0.05～0.08mm，金相下觀察的裂紋形狀見圖1。對該試樣經(jīng)分析得出，滲氮層的金相組織符合要求，金相下在滲氮層及表面未發(fā)現(xiàn)白層以及晶界高氮化物。為了避免該裂紋為線切割、制樣、磨樣等過程所產(chǎn)生，我們進行了大量的制備金相試樣的試驗，從線切割參數(shù)、金相磨樣參數(shù)等一系列過程進行改進仍然無法避免該裂紋產(chǎn)生。然后我們對未加工的氮化表面進行無損檢測，也未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。后來，我們將材料氮化后先對氮化層表面磨削加工去除0.08mm后，再線切割制備金相試樣，金相觀察試樣仍然會發(fā)現(xiàn)近表面存在裂紋，經(jīng)過試樣統(tǒng)計，此時裂紋較未進行表面磨削0.08mm試樣的裂紋深度有減小的趨勢。而且我們在制樣過程中也發(fā)現(xiàn)，裂紋有延遲現(xiàn)象，也就是剛制備完的試樣放一段時間后會產(chǎn)生新的裂紋，所以我們認定該裂紋是在制作試樣的過程時產(chǎn)生的，不是試樣本身所帶的裂紋。

圖1 金相下觀察到的1Cr11Ni2W2MoV滲氮層近表面裂紋

為了驗證晶材料粒度大小對氮化層表面裂紋的影響，試驗采用了不同的晶粒度材料，從8級到4.5級，將試樣經(jīng)過淬火回火后進行滲氮，然后對滲層表面金相組織觀察，大量試樣統(tǒng)計的金相裂紋平均值結(jié)果表明，細晶材料氮化層表面的裂紋深度較粗晶粒材料有減小的趨勢。

為了試驗驗證滲氮的氮勢對氮化層金相組織裂紋深度的影響，我們降低氮勢采用不同的氮勢對材料進行滲氮，最小采用的氮勢降低至Kn0.2，滲氮近表面金相組織觀察仍然存在裂紋。但是，裂紋的深度也是隨著氮勢的降低而減小，而且裂紋數(shù)量也有相應減少。

對材料進行XRD衍射物相分析，檢測結(jié)果見圖2。其中淬火回火狀態(tài)為試樣1；淬回火后再對材料在氮化溫度下保溫為試樣2；滲氮層分析為試樣3。從檢測結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)明顯的第二相存在，但是，對比1號和2號試樣的衍射角度發(fā)現(xiàn)2號試樣衍射角在增加，按照布拉格方程計算，也就是說，2號試樣的晶格常數(shù)在減小。該材料淬火回火后組織通常為鐵素體和碳化物，而該材料鐵素體晶格常數(shù)的變化是因為在鐵素體中固溶了一定Cr等金屬元素，這些金屬元素均是以置換式固溶體形式固溶于材料中，而且還由于碳原子的間隙固溶，所以該材料晶格常數(shù)與純鐵不同。從試樣1的衍射計算得出，所有元素固溶的結(jié)果導致了鐵素體晶格常數(shù)增大。而樣2的晶格常數(shù)減小說明在滲氮溫度保溫時候材料析出了合金元素，而這些合金元素析出必然是以碳化物的形式析出，所以導致鐵素體晶格常數(shù)變化?？墒牵捎谔蓟镌诓牧现械谋壤《隽薠RD對物相分析的分辨率，無法識別析出的碳化物，所以該材料的碳化物析出只能采用其他手段進行。陳棕霖、嚴雋民等人就采用俄歇電子能譜、透射電鏡等方法分析了1Cr11Ni2W2MoV材料不同溫度下回火時碳化物的析出，結(jié)果指出，該材料淬火后在580℃和600℃回火保溫時候碳化物會在晶界聚集長大，甚至碳化物比650℃析出的還要粗大，在研究650～600℃重復回火后材料斷口呈現(xiàn)出一定的脆性斷裂方式，而原因就是600℃回火時候晶界富集了雜質(zhì)元素和Cr元素。

圖2 1Cr11Ni2W2MoV材料不同狀態(tài)下的XRD衍射圖譜

3 結(jié)果分析

由H-P關系可得在一定的范圍內(nèi)，細化晶粒能夠增加材料的室溫屈服以及抗拉強度，也就是在室溫時候晶界可以強化材料，但是，如果在工藝過程中材料晶界析出了粗大的不連續(xù)的第二相，則會降低晶界強度，引發(fā)沿晶斷裂方式。在滲氮時候氮原子首先是從晶界、位錯等缺陷往材料里面擴散，當材料中氮的固溶度達到極限后，繼續(xù)滲氮增加氮原子濃度就會在此處聚集并生成氮化物。

在滲氮時候，該材料碳化物也隨著滲氮保溫不斷在晶界聚集長大，滲氮剛開始時氮原子較快的滲入材料基體，此時，碳化物還未長大。隨著保溫時間加長，滲氮深度逐漸增加，表層已經(jīng)硬化的區(qū)域在繼續(xù)滲氮保溫時候，如果碳化物在晶界聚集長大就會在晶界處形成較大的應力集中。而如果碳化物在未滲氮硬化的區(qū)域析出，這種情況應力集中會因為材料塑性形變得以釋放。在不同晶粒度材料氮化試驗也顯示，細晶材料由于晶粒度較小，能夠有效減小應力集中，所以滲層金相觀察產(chǎn)生的裂紋深度就會有減小的趨勢。

所以在滲氮過程中氮、碳化物在晶界的析出棸集長大，從而產(chǎn)生了應力集中并與后續(xù)氮化層磨削加工應力疊加從而產(chǎn)生了沿晶斷裂、晶粒掉落現(xiàn)象，這也就是我們在生產(chǎn)中裸眼觀察到的黑點現(xiàn)象或者氮化試樣金相磨削近表層出現(xiàn)裂紋的原因。

4 結(jié)語

1Cr11Ni2W2MoV材料氮化表面磨削黑點及金相組織裂紋原因，是材料滲氮保溫時在晶界聚集長大的碳化物、氮化物等第二相所致，該第二相沿晶界析出破壞了晶界強度并且在晶界形成了應力集中，使隨后氮化層表面磨削或金相磨樣時產(chǎn)生沿晶裂紋，從而導致的晶粒掉落現(xiàn)像。