預氧化對1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼滲氮層質(zhì)量的影響

施國梅，劉 永，王 蕊，薛怡然

(中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧沈陽 110043)

0 前 言

氮化處理是一種將氮原子滲入鋼鐵零件的表面，從而改變鋼的表面成分，提高表面硬度、耐磨性、抗蝕性和疲勞強度等性能的技術。隨著氮化工藝的發(fā)展，氮化零件不僅具有表面硬度高、耐磨性高、變形小的特點，而且在600 ℃下仍可維持高硬度，具有比滲碳零件更高的彎曲疲勞強度和抗腐蝕性能。因此，在一些易變形、不能磨削的機械制品以及要求高耐磨性、高精度的零件中均采用氮化工藝技術，如內(nèi)齒輪、活塞、銷軸等[1-3]。

一般采用含碳量0.15%～0.45%的普通合金結構鋼作為氮化用鋼，但當鋼材在腐蝕性較強的介質(zhì)中工作，且要求具有高耐磨性、高強度和韌性時，也會采用各種類型的不銹鋼作為氮化用鋼[4-6]。由于不銹鋼中的Cr、Ni含量較高，與空氣作用，在表面會形成一層致密的氧化物薄膜，即鈍化膜。而鈍化膜會阻止氮原子的滲入，故在不銹鋼滲氮過程中要進行去除鈍化膜的處理。常用的去除鈍化膜的方法有物理催滲(離子滲氮)、機械法(吹砂)和化學法(NH4Cl、TiCl3)。受零件形狀、環(huán)境、設備、砂粉、操作人員手法及入爐時間等因素的影響，零件吹砂較難控制，零件滲氮后常出現(xiàn)滲氮表面局部發(fā)黑、滲層深度及硬度不足的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量。其原因是不銹鋼待滲表面未被去除的鈍化膜在滲氮過程中會阻礙或延緩活性氮原子在該部位的表面吸附，此處的氮原子濃度低于其他部位，造成滲氮層不均勻，滲層深度及硬度不足。針對該現(xiàn)象，本工作在零件滲氮前增加預氧化過程，以活化滲氮表面，實現(xiàn)對不銹鋼滲氮的催滲，進而改善滲氮層質(zhì)量。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼，其主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))為0.10%～0.16%C、10.50%～12.00%Cr、1.40%～1.80%Ni、1.50%～2.00%W、0.35%～0.50%Mo、0.18%～0.30%V，F(xiàn)e余量。試樣尺寸為30 mm×10 mm×4 mm。滲氮前調(diào)質(zhì)工藝為：(1 000～1 020) ℃×10 min油冷淬火，660 ℃×70 min回火；氣體滲氮工藝為：(550～600)℃×(25～30)h，使用氣體為無水液氨。

1.2 預氧化參數(shù)選擇

隨著加熱溫度升高零件表面形成的氧化膜逐漸加厚，根據(jù)Fe-O平衡狀態(tài)圖可知鐵的氧化反應式為式(1)、(2)：

570 ℃以下

(1)

570 ℃以上

(2)

由式(1)可知，當預氧化溫度低于570 ℃時，零件形成一層Fe3O4氧化膜，而溫度超過570 ℃時零件表面則形成一層過厚的FeO和Fe2O3氧化膜，其結構疏松，氧和鐵原子易于通過FeO而進行擴散，氧化速度急劇增加。同時考慮到1Cr11Ni2W2MoV的材料特性，在380～540 ℃之間存在回火脆性，因此本工作選擇550 ℃的空氣爐中以不同保溫時間對試樣進行預氧化處理，目視檢查經(jīng)過不同預氧化保溫時間的試樣的表面顏色，預氧化完成后按1.1節(jié)參數(shù)完成滲氮處理；采用表面洛氏硬度機檢查滲層表面硬度；試樣金相制樣后采用苦味酸腐蝕劑進行腐蝕，采用金相顯微鏡檢查滲層深度、滲層金相組織。

2 試驗過程

對經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的試樣在滲氮前采用如表1所示不同表面處理方式。為了驗證預氧化試樣的效果，考察預氧化后試樣表面在長期暴露于空氣中時是否還形成鈍化膜，經(jīng)預氧化后的試樣于室溫放置800 h，再進行氮化處理。未經(jīng)預氧化的9號試樣在滲氮前采用吹面砂以清理表面。所有試樣同爐進行氣體滲氮處理。

表1 試樣預氧化工藝參數(shù)及結果

由表1可見，在550 ℃預氧化溫度下，隨著加熱時間延長，試樣表面顏色由黃銅色逐漸變深，表面氧化加重，加熱25 min時，顏色已呈紫銅色。通過對氧化后的試樣金相檢查發(fā)現(xiàn)所有試樣均未顯現(xiàn)出氧化脫碳跡象，表面平滑，無內(nèi)氧化情況發(fā)生，說明加熱30 min內(nèi)試樣表面均形成Fe3O4和Cr2O3膜，但其致密性遠低于Cr的鈍化膜，且2種膜屬于完全抗氧化級。

3 試驗結果及分析

不同表面處理的1Cr11Ni2W2MoV材料試樣滲氮后滲層的金相組織見圖1。采用HB5023“航空鋼制件滲氮、氮碳共滲滲層深度測定方法”中規(guī)定的金相法檢測滲氮層深度。滲層組織和脆性按HB5022“航空鋼制件滲氮、氮碳共滲金相組織檢驗標準”檢測。滲層硬度、深度、組織、脆性等性能檢測結果如表2所示，預氧化時間與滲層深度的關系如圖2所示。從圖1可以看出不同前處理試樣均有滲氮層，滲氮前表面未經(jīng)氧化或吹砂的試樣，滲層質(zhì)量較差。由表2和圖2可見，不經(jīng)任何表面處理的試樣，表面局部發(fā)黑，滲層深度及硬度不均，達不到滲氮技術要求；試樣經(jīng)過預氧化處理可以達到吹砂效果，表面致密的鈍化膜被破壞，得以活化；所有試樣滲氮層深度均存在不均勻現(xiàn)象，但經(jīng)過預氧化處理的試樣滲層最均勻，偏差在0.02 mm范圍內(nèi)，且不同預氧化時間得到的試樣具有不一樣的滲層深度及滲層硬度；在550 ℃下預氧化時間5～20 min，得到的試樣具有最佳的滲氮效果。

在氣體滲氮過程初期，氨氣裂解出活性氮原子和氫氣[見式(3)]，經(jīng)過預氧化試樣表面的Fe3O4很快被氫還原，形成活潑的初生鐵[見式(4)]，活性氮原子在試樣表面吸附，并向基體內(nèi)擴散。

(3)

(4)

另外，由圖1還可以看出，試樣在550 ℃下空氣爐中加熱1 min，表面鈍化膜即可被破壞，隨著預氧化時間的延長，試樣表面氧化膜增厚，鈍化膜被完全破壞，提高了活性氮原子吸附及擴散能力，但如果預氧化時間過長，氧化膜厚度繼續(xù)增加，F(xiàn)e3O4還原時間及氮原子穿過氧化膜時間延長，降低了滲氮速度，但不影響最終試樣滲層的均勻性。

4 結 論

(1)滲氮前對1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼制件試樣進行550 ℃預氧化處理可破壞其表面的鈍化膜，達到催滲的效果，最佳加熱時間為5～20 min；

(2)滲氮前經(jīng)過550 ℃預氧化處理的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼制件試樣的滲層的均勻性及滲氮速度均優(yōu)于滲氮前僅進行吹砂處理的試樣。