張海巍, 馬曉鋒, 馬 寧, 沈 琳, 蔣 東

(中國(guó)航發(fā)北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司, 北京 102200)

25Cr3MoA鋼是一種淬透性良好的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼,具有高強(qiáng)度、良好的塑韌性及焊接性能,是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成材料。該鋼中添加了合金元素Cr、Mo,使該鋼的組織更均勻,熱處理性能穩(wěn)定,淬透性顯著增強(qiáng),并提高了回火抗力,減輕了回火脆性。25Cr3MoA鋼多用于制造受力類零件,如齒輪類、花鍵類、嚙合軸類等,特別是承受較小應(yīng)力或有薄壁結(jié)構(gòu)的齒輪。該鋼在600 ℃以下時(shí),具有良好的高溫性能,400 ℃以下時(shí),有較高的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,高抗拉強(qiáng)度和韌塑性及良好的淬透性再次提高,而剛度熱敏感性、脫碳傾向降低;特別是25Cr3MoA鋼滲氮處理后,表面硬度高,滲氮層脆性小,是齒輪類、花鍵類零件的首選材料[1]。

我廠設(shè)計(jì)的齒輪內(nèi)部帶有花鍵,滲氮層要求0.31～0.41 mm,加工難度大,前期零件只能整體外協(xié)。但是外協(xié)加工的齒輪生產(chǎn)周期長(zhǎng),性能不穩(wěn)定,多次出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)后齒部斷裂的情況。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)失效分析后得出,發(fā)生斷裂的原因是由于齒部、花鍵處顯微組織已達(dá)8級(jí),已不符合HB 5022—1994《航空鋼制件滲氮、碳氮共滲金相組織檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》三類滲氮件(HB 5022ⅢN)顯微組織1～5級(jí)的要求。隨著我廠生產(chǎn)技術(shù)水平的提升,考慮到外協(xié)加工的不確定性,齒輪改為返回廠內(nèi)生產(chǎn),但外協(xié)生產(chǎn)時(shí)遇到的滲氮組織不合格問題仍然存在。問題的根源在于長(zhǎng)時(shí)間滲氮后,易出現(xiàn)脈狀、網(wǎng)狀氮化物等,目前此種問題,已成為制約生產(chǎn)加工的瓶頸。急需車間設(shè)計(jì)一種可得到穩(wěn)定組織、性能可靠,并適用于批量生產(chǎn)的滲氮工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)采用的原材料為退火態(tài)的25Cr3MoA鋼圓棒材,鋼的實(shí)際化學(xué)成分采用光譜分析法測(cè)定,主要化學(xué)成分如表1所示,實(shí)測(cè)值符合技術(shù)要求。

表1 25Cr3MoA鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the 25Cr3MoA steel(mass fraction, %)

1.2 試樣制備

試驗(yàn)前將棒材加工為φ30 mm×355 mm的圓棒,然后使用SOLO可控氣氛多用爐,進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,溫度為600～1050 ℃,溫度均勻性≤±10 ℃。設(shè)備由爐體、加熱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、油槽、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成,可實(shí)現(xiàn)爐體與圓棒同時(shí)轉(zhuǎn)移油淬火,避免了轉(zhuǎn)移過程中圓棒淬火溫度降低,淬火油為277HM快速淬火油。熱處理制度為900 ℃油淬火+580 ℃回火空冷,調(diào)質(zhì)后硬度為28～32 HRC。調(diào)質(zhì)后檢查25CrMoA鋼試樣的顯微組織,見圖1,組織評(píng)級(jí)為2級(jí),索氏體分布均勻,無大塊碳化物和大量未分解的殘留奧氏體,符合三類滲氮件(HB 5022ⅢN)顯微組織1～5級(jí)的要求。

圖1 25CrMoA鋼試樣調(diào)質(zhì)后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the 25CrMoA steel specimen quenched and tempered

將調(diào)質(zhì)處理后的圓棒按照加工工藝依次進(jìn)行車削、數(shù)控車床加工、線切割、滾齒、磨齒、切內(nèi)花鍵、內(nèi)磨、外磨等接近30多道的機(jī)械加工,最終加工完成試件供滲氮試驗(yàn),滲氮試件如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)要求和方法

25Cr3MoA鋼試件氣體滲氮后,要求滲氮層厚0.35～0.41 mm,表面硬度≥750 HV。按圖2所示,分別對(duì)齒輪和內(nèi)花鍵剖切,按HB 5023—1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲滲層深度測(cè)定方法》檢查齒輪和花鍵節(jié)圓處的滲層深度,按HB 5022—1994《航空鋼制件滲氮、碳氮共滲金相組織檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中ⅢN件檢查齒輪和花鍵處組織,要求全齒滲氮層顯微組織符合1～5級(jí)。

外協(xié)廠家采用傳統(tǒng)普通井式氣體滲氮爐進(jìn)行滲氮,滲氮組織不合格,廠內(nèi)采用同類氣體滲氮爐進(jìn)行復(fù)驗(yàn),試驗(yàn)得到類似結(jié)果。因此本試驗(yàn)選用更加先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定、受人為因素影響小的滲氮設(shè)備,采用帶有預(yù)氧化催滲功能的SOLOP80可控氣氛滲氮爐。該設(shè)備最高使用溫度可達(dá)700 ℃,溫度均勻性≤±5 ℃,通過氨氣裂解氣將氨氣裂解成氮?dú)夂蜌錃?通過控制氨氣含量實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)氮?jiǎng)莸目焖僬{(diào)節(jié)。同時(shí),該設(shè)備具備預(yù)氧化和檢測(cè)爐內(nèi)剩余氨氣分解率功能,可大大縮短滲氮時(shí)間。具體試驗(yàn)工藝及結(jié)果如表2所示。

表2 25Cr3MoA鋼試件滲氮試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Nitriding test and results of the 25CrMoA steel piece

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

試驗(yàn)1采用原來的滲氮溫度,縮短兩個(gè)階段的滲氮時(shí)間,以解決滲氮層組織粗大、層深過深問題。試驗(yàn)結(jié)果是組織3～4級(jí)合格,組織照片見圖3(a),但滲氮層偏淺,只有0.28 mm,不符合技術(shù)要求。由Fe-N相圖可知,延長(zhǎng)強(qiáng)滲階段Ⅰ保溫時(shí)間,可增加滲層深度;降低擴(kuò)散階段Ⅱ溫度,可有效改善滲層組織,于是進(jìn)行了試驗(yàn)2。試驗(yàn)2結(jié)果表明,滲氮層深度與要求深度還相差0.04 mm,但組織已達(dá)到5級(jí),齒部和內(nèi)花鍵出現(xiàn)白層和脈狀組織,齒部顯微組織見圖3(b)所示。通過以上試驗(yàn)結(jié)果得知,單純延長(zhǎng)滲氮時(shí)間或降低滲氮溫度,會(huì)導(dǎo)致脈狀、網(wǎng)狀氮化物組織問題加劇,仍無法滿足技術(shù)要求。

圖3 不同試驗(yàn)工藝下25Cr3MoA鋼試件齒部滲層的顯微組織(a)試驗(yàn)1;(b)試驗(yàn)2Fig.3 Microstructure of nitrided layer of tooth of the 25Cr3MoA piece under different test processes(a) test 1; (b) test 2

(1)

圖4 滲氮層生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Dynamic curves of nitrided layer growth

脈狀氮化物的出現(xiàn)與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴(kuò)散有關(guān),滲氮溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng),越促進(jìn)脈狀組織的形成,齒輪、花鍵處滲氮溫度相對(duì)較高,合金元素的偏聚較其他部位嚴(yán)重得多,更易出現(xiàn)脈狀組織,從試件的尺寸圖可以看出,此試件齒部模數(shù)2.166 mm,花鍵模數(shù)1.17 mm,齒的模數(shù)越小,滲氮加工難度也越高,出現(xiàn)脈狀、網(wǎng)狀氮化物的幾率就越大。結(jié)合試驗(yàn)1、試驗(yàn)2,確認(rèn)新的試驗(yàn)思路,滲氮可分為前期、中期和后期。前期、中期受溫度影響大,滲速度較快,應(yīng)采取較低滲氮溫度;中期又屬于過渡期,氮化物的成型期,氨氣分解率應(yīng)提高;而后期主要是氮化物的擴(kuò)散需提供更高的動(dòng)力?；跐B氮層形成的上述動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)和氮的擴(kuò)散理論,結(jié)合Fe-N系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖[4],制定了三段法滲氮工藝。調(diào)節(jié)加熱溫度和氨流量,伴隨著周期性的滲氮和一定溫度下滲氮層的分解,既能有效控制在工件表面形成高氮濃度的滲氮層,又能迅速將阻礙后續(xù)氮原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散的組織(如ε相)分解,加快氮原子向內(nèi)部擴(kuò)散。通過試驗(yàn)3三段法滲氮,內(nèi)花鍵和齒部的滲層組織均勻,花鍵和齒部幾乎無脈狀組織出現(xiàn),達(dá)到了預(yù)期效果,顯微組織照片見圖5。

圖5 經(jīng)試驗(yàn)3工藝滲氮后內(nèi)25Cr3MoA鋼試件內(nèi)花鍵(a)和齒部(b)的顯微組織Fig.5 Microstructure of internal spline(a) and tooth(b) of the 25Cr3MoA piece nitrided by test 3 process

3 結(jié)論

1) 25Cr3MoA鋼滲氮層深度>0.30 mm時(shí),傳統(tǒng)的兩段法滲氮工藝,很難同時(shí)保證工件滲氮層深和尖邊、尖角處滲氮層顯微組織合格。

2) 25Cr3MoA鋼滲氮層深度>0.30 mm時(shí),想要增加滲氮層深度,不考慮工件顯微組織的前提下,滲擴(kuò)散階段保溫時(shí)間至少需要延長(zhǎng)0.5～1倍以上。

3) 25Cr3MoA鋼滲氮層深度>0.30 mm時(shí),采用三段法滲氮工藝,可有效控制滲氮層出現(xiàn)脈狀氮化物和白亮層。