不銹鋼1Crl1Ni2W2MoV是12％鉻型馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼，由于該鋼的室溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度均較高，并有良好的韌性、抗氧化性和耐蝕性，使其在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。某一軸承零件所用材料為1Cr11Ni2W2MoV，為了提高零件的強(qiáng)度和耐磨性能，需要在零件表面進(jìn)行滲氮強(qiáng)化處理，設(shè)計(jì)要求滲氮層深度大于0.20mm，硬度大于600HV。由于采用離子氮化的滲層深度達(dá)不到要求，現(xiàn)采用氣體氮化進(jìn)行滲氮。
不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV含有大量的Cr和Ni，遇到空氣，表面容易形成一層致密的氧化膜（CrO3、NiO），也叫鈍化膜，阻礙氮離子的滲入。對(duì)于氣體氮化來(lái)講，去除不銹鋼表面的鈍化膜是決定氮化成功的關(guān)鍵一步。生產(chǎn)中一般采用化學(xué)法在滲氮箱中撒入無(wú)水氯化銨，在加熱過(guò)程中，由氯化銨分解出來(lái)的氯化氫將工件表面的氧化膜還原。氯化銨的用量對(duì)氮化層表面硬度和深度影響較大，用量過(guò)多，工件表面產(chǎn)生麻點(diǎn)，腐蝕氮化罐，阻塞管路，用量過(guò)少，去除鈍化膜效果不好，氮化層會(huì)減薄且不均勻。還有一種去除鈍化膜的方法就是機(jī)械法進(jìn)行干吹砂，通過(guò)吹砂去除不銹鋼表面的鈍化膜，可以起到很好效果。本次工藝試驗(yàn)以吹砂代替氯化銨去除1Crl1Ni2W2MoV不銹鋼表面鈍化膜，同時(shí)摸索該種材料的氮化工藝。
1.工藝試驗(yàn)
試驗(yàn)材料1Crl1Ni2W2MoV，其成分見(jiàn)表1。
表1 1Crl1Ni2W2MoV化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
成分 | C | Cr | Ni | W | Mo | V | Mn | Si | Fe |
含量 | 0.14 | 11.2 | 1.62 | 1.68 | 0.46 | 0.22 | 0.52 | 0.48 | 余量 |
材料預(yù)備熱處理采用淬火：1000℃×1h油冷；高溫回火：680℃×2h空冷。
吹砂工藝：使用100～200目的石英砂、壓縮空氣壓力0.3～0.5MPa對(duì)滲氮表面進(jìn)行干吹砂，吹砂后的零件嚴(yán)禁赤手拿取，且應(yīng)盡快裝箱氮化，間隔時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2h。
試驗(yàn)中采用井式氮化爐，爐溫均勻性達(dá)到±5℃，爐內(nèi)設(shè)有氣氛循環(huán)裝置達(dá)到氣氛均勻。采用氨氣作為滲劑，零件入爐后，采用氨氣排盡爐內(nèi)空氣。并在低于200℃下測(cè)得氨氣分解率接近零時(shí)，再升高爐溫達(dá)到氮化溫度，當(dāng)爐內(nèi)溫度升至接近氮化溫度時(shí)，氨氣分解率應(yīng)盡快調(diào)整到工藝規(guī)定值。氮化持續(xù)足夠時(shí)間后，可繼續(xù)通氨氣維持爐內(nèi)正壓隨爐冷卻，待爐溫降至≤150℃時(shí)，停止供氨氣方可取出零件，應(yīng)避免急驟冷卻，防止零件變形。
根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本次氮化工藝試驗(yàn)采用兩種，分別是一段氮化和兩段氮化工藝。氨分解率通過(guò)氨氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
一段氮化工藝：580℃×45h，氨分解率60%，在原氣氛中隨爐冷至≤150℃出爐空冷。
兩段氮化工藝：第一階段550℃×15h（氨分解率55%）隨爐升溫至第二階段580℃×30h（氨氣分解率65%），在原氣氛中隨爐冷至≤150℃出爐空冷。
采用金相法測(cè)定氮化層的深度，金相法是利用氮化層組織與心部組織抗腐蝕性能不同的特點(diǎn)來(lái)測(cè)定氮化層深度，氮化試樣采用5%CuSO4溶液浸蝕，用金相顯微鏡測(cè)量氮化層深度。維氏硬度計(jì)檢驗(yàn)氮化層表面硬度，顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量氮化層不同位置的硬度。
2.試驗(yàn)結(jié)果與分析
圖1為滲氮后的零件，零件表面未起泡，顏色均勻，呈淺灰色。表明采用吹砂工藝代替氯化銨去除不銹鋼表面鈍化膜是可行的。
圖1 零件滲氮后宏觀圖
（1）滲氮零件表面硬度和滲層深度
對(duì)氮化零件進(jìn)行硬度檢查和金相法檢測(cè)滲層深度，表2是兩種不同滲氮工藝得到的滲氮零件表面硬度和滲層深度。采用一段滲氮工藝得到的滲氮層，雖然硬度可以滿足，但是滲層深度不足。在兩段滲氮工藝條件下，滲層深度和硬度均滿足設(shè)計(jì)對(duì)零件的要求。為了驗(yàn)證兩段滲氮工藝條件下的滲層深度滿足要求，采用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)滲層進(jìn)行檢驗(yàn)，表3是兩段滲氮工藝條件下，沿著表面向基體內(nèi)部，每隔0.05mm，進(jìn)行顯微維氏硬度檢驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)果也驗(yàn)證了兩段滲氮工藝的深度在0.30mm范圍內(nèi)，同時(shí)也說(shuō)明了滲氮層的硬度沿截面分布比較平緩。
表2 不同滲氮工藝條件下的表面硬度和滲層深度
一段滲氮 | 兩段滲氮 | |
表面硬度HV | 620～752 | 726～856 |
滲層深度/mm | 0.15～0.20 | 0.27～0.30 |
表3 氮化層內(nèi)不同位置的硬度
距離表面/mm | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 |
硬度HV | 837 | 736 | 705 | 695 | 662 | 583 |
（2）滲氮零件金相組織
零件滲氮之前，對(duì)其進(jìn)行預(yù)備熱處理（淬火+回火），從而為滲氮做好組織準(zhǔn)備。圖2為零件采用兩段滲氮工藝后的金相組織，圖2a為滲氮層金相圖片，由此圖可以看出滲氮層均勻連續(xù)，氮化層主要氮化索氏體和彌散分布的氮化物組成，且氮化層沒(méi)有發(fā)現(xiàn)白亮層。圖2b氮化零件的心部組織主要由回火索氏體和少量鐵素體組成。兩段滲氮工藝優(yōu)于一段滲氮工藝的原因是：第一段滲氮時(shí)工件表面形成彌散度大的氮化物，第二段滲氮，溫度高于第一段滲氮，時(shí)間也長(zhǎng)于第一段滲氮，加速氮在鋼中的擴(kuò)散，加深滲氮層的厚度，并使?jié)B氮層的硬度分布趨于平緩。第二階段溫度的升高雖要發(fā)生氮化物的聚集、長(zhǎng)大，但它與一次較高溫度滲氮不同，因?yàn)樵诘谝浑A段滲氮時(shí)首先形成的高度彌散細(xì)小的氮化物，其聚集長(zhǎng)大要比直接在高溫時(shí)成長(zhǎng)的氮化物的粗化過(guò)程慢得多。因此當(dāng)不銹鋼滲氮深度要求較深時(shí)，采用兩段滲氮工藝有很大優(yōu)勢(shì)。
（a）表面
（b）心部
圖2 滲氮零件金相組織
3.結(jié)語(yǔ)
（1）采用吹砂進(jìn)行去除不銹鋼表面的鈍化膜，可有效代替撒入氯化銨進(jìn)行不銹鋼1Crl1Ni2W2MoV的滲氮工藝。
（2）1Crl1Ni2W2MoV不銹鋼的氮化工藝推薦采用兩段氮化工藝：550℃×15h（氨分解率55%）+580℃×30h（氨分解率65%）。
（3）兩段滲氮工藝條件下的氮化層主要氮化索氏體和彌散分布的氮化物組成，心部主要由回火索氏體和少量鐵素體組成。
作者：段寶章
單位：中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司
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