25Cr3MoA钢转子组件气体渗氮后“黑线”组织分析及改进

徒玉龙，渠晓阳，郭建宁

中航工业金城南京机电液压工程研究中心 江苏南京 211106

渗氮是将氮渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法。经其处理过的零件会获得高的硬度和耐磨性、高的疲劳性能、变形小而规律性强、较高的抗“咬卡”性能以及较高的耐蚀性能等，故而广泛应用于实际生产中[1]。在生产过程中，某型25Cr3MoA钢转子组件在气体渗氮后，金相检查渗层组织时发现存在“黑线”组织，本文对此渗氮后“黑线”组织产生的原因进行分析并提出解决方案。

1 转子组件结构及技术要求

转子组件材料为25Cr3MoA钢，如图1所示，零件除T面及柱塞孔外，整体镀锡。渗氮深度0.15～0.35mm，柱塞孔用铜塞隔离，渗氮表面硬度≥600HV，中心硬度24～37HRC，按HB 5013—1996Ⅳ-ⅡN检验。

2 渗氮工艺过程及结果

图1 转子组件结构

渗氮处理采用的设备为尼翠斯气体渗氮炉，渗氮处理前依据生产程序软件进行各项参数设置（见表1），在（500±5）℃下保温50min进行强渗，氨分解率为21%，在（530±5）℃下保温800min进行扩散，氨分解率为79%。经此程序渗氮后，对渗层及中心进行金相检查时发现存在除索氏体及适量氮化物外，距表面一定距离处存在“黑线”组织（见图2）。

3 分析与讨论

一般认为，渗氮产生金相组织不合格的原因主要是气氛氮势过高、渗氮温度过高和渗氮前处理时发生表面脱碳或细化晶粒不够等[1]。从图2金相组织可以看出，气体渗氮后局部存在网状氮化物及异常“黑线”组织，心部组织为索氏体组织，边缘组织未发现明显的脱碳及晶粒粗大现象。

表1 渗氮工艺参数

图2 气体渗氮后渗层组织

对“黑线”组织进行电镜及能谱分析，如图3所示。电镜图片显示，黑线为凸起物，应为与基体不同的物质，能谱线扫描显示，凸起部位含氮高于基体。

图3 对“黑线”组织进行能谱线扫描

由图3可以看出，“黑线”组织可以认定为其为波纹状氮化物。渗层中产生网状或波纹状氮化物的原因有，渗氮温度过高、液氨含水量大、晶粒粗大、制件有尖角锐边、气氛氮势过高及表面脱碳严重等[2]。依据以上原因对设备及使用氨气进行检查，设备质量流量计、炉温均匀性均未发现异常，更换瓶装氨气后仍发现波纹状氮化物存在。且从图2可以看出，制件渗氮层组织未发现明显的脱碳及晶粒粗大现象。

同时，因车间供气条件改变，在实际生产过程中使用液氮转化的氮气，因此怀疑气体渗氮使用的氮气，由液氮气化并流转至氮气包后，在通往渗氮炉过程中存在异常，需进一步进行试验验证。

4 试验验证

在气体渗氮程序未更改的前提下，仅对使用的氮气进行更改，用高纯氮（99.999%）作为排气及淬火冷却介质后发现，渗氮层未发现波纹状氮化物，渗层组织得到显著改善（见图4）。

图4 气体渗氮后渗层组织及心部组织（高纯氮）

为证实气体渗氮过程中氮气对组织的影响，在气体渗氮程序未更改的条件下，仅对使用的氮气进行更改，用纯氮（99.99%）作为淬火冷却介质后发现，渗氮层局部存在断续的“黑线”组织，渗层组织有一定的改善（见图5）。

图5 气体渗氮后渗层组织及心部组织（普氮）

5 结论与建议

气体渗氮后在渗层位置发现的“黑线”组织属于波纹状氮化物，在实际生产过程中使用液氮转化的氮气作为辅助用气时，需排查氮气包及管道内含水问题，建议在渗氮过程中使用高纯氮（99.999%）作为淬火冷却介质，可以有效避免“黑线”组织的产生。