S-03钢渗氮层裂纹分析与控制

程海英，何安平，李永虎

（西安航天发动机厂，西安710100）

0 引言

渗氮是为了提高零件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。有时零件渗氮后会出现一些影响组织结构、机械及抗蚀性能的缺陷。以前在型号为JT-75-9的渗氮设备中处理S-03钢零件曾出现渗氮层脆性大和微裂纹等缺陷，从而导致零件的整批报废。经分析认为导致此问题出现的因素有氮化罐老化和炉气压力不稳定等。为此从渗氮原理出发分析上述因素对渗层质量的影响情况，从而制定出防止氮化罐老化、确保炉气压力稳定等确保产品质量的有效控制措施。

1 S-03钢材料特性及渗氮原理简介

1.1 S-03钢材料特性

S-03钢是一种耐蚀低碳马氏体时效不锈钢，其强化机理分两步达到：通过淬火处理获得具有高密度位错的马氏体组织及随后的马氏体时效。无碳马氏体时效过程中的强化是析出金属间化合物质点的结果。

1.2 渗氮原理

气体渗氮是由分解、吸收及扩散3个基本过程组成的。渗氮的主要目的是提高零件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀性，同时心部又有高的韧性。

渗氮时不能用氮气作为供氮介质，因为分子态的氮几乎不能被吸收，而且氮分子分解为氮原子是十分困难的，所以生产中多用瓶装液氨作为渗氮介质。氨气是十分不稳定的气体，渗氮时就是利用刚分解而未结合成分子的氮原子渗入钢中的。渗氮过程中只有部分新生的活性氮原子与工件表面接触并被工件吸收，其他的活性氮原子很快就结合成氮分子。为了保证活性氮原子的不断供应，必须要以一定流量的氨持续通入渗氮炉内。工件对氮原子的吸收能力与渗氮温度和氨分解率密切相关。在一定的温度下，对于工件存在一个最强烈吸收氮原子的氨分解率。

当氮原子被工件吸收后，先是融入固溶体中，当超过极限溶解度后与工件中的铁及合金元素形成一系列化合物。当氮原子渗入后，与Cr和Mn等各种氮化物形成元素形成高硬度的合金氮化物，并以极细小的颗粒弥散分布于渗层基体上，这样能够大大提高渗层的硬度和强度。

1.3 炉气氮势

钢的渗氮反应式可写成：

当公式（1）达到平衡时

式中：Kp1为平衡常数；pNH3为炉气中的氨气分压力；pH2为炉气中的氢气分压力；aN为气相平衡时钢表面的氮活度。工程技术中通常令这就是炉气氮势，于是有aN=Kp1·r。

上式给出了炉气氮势与钢件表面氮活度之间的关系，可看出炉气氮势的大小取决于炉气组成，当温度恒定时，Kp1是一个常数；当炉内压力加大时，氮势r与零件表面的氮活度成正比，增加炉内压力是加速渗氮的一个较为理想的途径。炉内氨气的分解率与渗氮温度密切相关，当渗氮温度升高时，炉内氨气的分解率随之升高，炉气的氮势则随之降低。

1.4 炉气氮势与氨分解率及炉气成分的关系

用纯氨通入炉内进行渗氮（炉气成分包括氨+氨分解气）时，存在下列关系：

用氨分解率测定仪测定氨分解率时，首先通入炉气，然后向瓶内注水。由于氨几乎全部溶解在水中，因此瓶内水所占的体积百分数就是炉气中氨气的体积百分数，也等于炉气中氨的分压pNH3，故氨分解率：

由此可见，氮势与氨分解率及炉气成分之间存在如下关系：

从公式（6）可知，只要能测定并控制氨分解率V或炉气中的氨气和氢气的含量，就能达到控制炉气氮势及零件氮浓度的目的。

2 问题及控制措施

2.1 存在的问题

对S-03钢材料零件渗氮处理后出现渗氮层脆性大、微裂纹的缺陷和局部产生网状氮化组织等问题，经调查研究发现本批零件在实际生产中与以往有以下不同：

1）零件入炉后，在排气过程中出气端的缓冲瓶发生破坏，使零件在氨气与大气混合的环境下放置了3个多小时；

2）在渗氮过程中，炉气压力的波动相对以前较为频繁，且幅度较大；

3）在退氮的过程中分解率的变化速度过快，大约在20 min的时间内将分解率由42%调整到90%以上。

2.2 模拟试验

为了对现有的设备状态情况进行分析，通过模拟试验得到了现有设备状态下进、出气压力和分解率随保温时间的变化情况，进、出气压力和分解率随保温时间的变化趋势分别见图1～图3。

通过对检测数据分析认为：炉气内氮势变化大且快，改进前的分解率在短短的150 min由46%下降为36%，将此数值代入公式（6） 中通过计算可得出炉气内的氮势变化情况：

当分解率为46%时

当分解率为36%时

由上述的结果可以看出，随着保温时间的延长由于管路系统的不稳定导致当进气压力由18 mmHg增加到31 mmHg时，氮势由2.56增加到4.56，增加了78%之多。

2.3 结果分析

零件表面的氮活度与氮势成正比例关系，当氮势增加78%时零件表面的氮活度也就增加了78%，氮活度的快速增加导致渗氮速度增加，从而在零件表面形成较大的应力，这是造成渗层出现裂纹的因素。

2.4 相应的控制措施

针对炉气压力变化速度快且幅度大的问题，可采取下列控制措施进行：

1）对进、出气系统的管路进行仔细检查及用高纯氮气进行清理（连接罐体的不锈钢出气管道部分先用铁丝疏通后再用高纯氮气吹除），确保进、出气管道无堵塞和漏气现象；

2）对控制气压的阀门进行仔细检查和清理，及时对控制作用不好的微调阀进行修理或更换，确保微调阀的正常使用，及时对密封效果不好的减压阀密封垫进行更换，确保压力的稳定。

图1 进气压力随保温时间的变化趋势图Fig.1 Variation of intake pressure with soaking time

图2 出气压力随保温时间的变化趋势图Fig.2 Variation of outlet gas pressure with soaking time

图3 分解率随保温时间的变化趋势图Fig.3 Variation of resolution ratio with soaking time

2.5 采取控制措施后气体压力测试结果及改进效果

为对改进后的设备状态情况进行分析及与改进前的状态进行对比，通过模拟试验得到了改进后进出气压力和分解率随保温温度的变化情况，进、出气压力和分解率随保温时间的变化趋势分别见图1～图3。

随保温时间延长分解率的变化范围在44.1%～44.7%之间，将此值代入公式（6）中可得：

当分解率为44.7%时

当分解率为44.1%时

氮势值的变化仅为0.09，约3.2%，这细微的波动对渗层质量的影响是微乎其微甚至没有影响的。

从图1～图3和计算结果中可以很明显的看出采取控制措施改进后，在保温过程中进、出气压力和分解率及氮势均趋于稳定状态。这就说明采取的控制措施起到了预期的作用，从而对产品的质量提供了可靠的保障。

3 试验过程（采取控制措施后）

3.1 准备工作

为了比较工艺参数对试验结果的影响情况，杜绝准备工作对试验结果的影响，3炉试验热处理前的准备工作均按照下列程序进行：

1） 对进、出气系统的管路进行仔细检查及用高纯氮气进行清理（连接罐体的不锈钢出气管道部分先用铁丝清理后用高纯氮气清理），确保进、出气管道无堵塞和漏气现象；

2） 对氮化罐按照680℃×360 min的制度进行退氮处理；

3） 对氮化罐的内表面和渗氮用的工装进行吹砂处理；

4） 对起密封作用的橡胶及石棉绳密封圈进行更换；

5） 干燥剂的准备及烘干 CaCl2在350℃保温2 h随炉冷却至室温出炉，分子筛在550℃保温2 h随炉冷却至室温出炉，石英砂（粒度不大于100目）在180℃保温1 h随炉冷却至室温出炉；

6） 每炉装3个试样，分上、中、下3层，试样间的间距约50 mm；

7） 将装有催化剂（氯化铵与石英砂的混合物）的小盒放在工装的指定位置处。

3.2 试验参数

为看出不同保温温度、不同分解率及不同退氮时间等因素对渗层质量的影响情况，制定了3炉次试验的工艺方案，具体方案见表1。

表1 工艺试验方案Tab.1 Scheme of technological test

3.3 技术要求

根据相关的技术条件要求渗氮后的渗层深度、脆性级别及硬度值需达到下列指标：

1） 渗层深度 0.12～0.60 mm；

2） 脆性级别≯Ⅱ级；

3） 硬度值 60～70 HRC （或 713～1 037 HV）。

4 试验结果

4.1 试样的渗层深度、脆性级别及硬度值

渗氮处理后对3炉次试样按要求进行渗层深度、脆性级别及硬度值的检测，具体数值见表2。

4.2 试验结果的符合性

第1炉和第3炉的渗层深度、硬度及脆性均符合要求；第2炉的渗层深度及硬度符合要求，脆性级别不满足≯Ⅱ级的要求。

4.3 裂纹情况

第1炉：未发现裂纹，见图4；第2炉：发现多处裂纹，横向裂纹见图5，纵向裂纹见图6；第3炉：未发现裂纹，见图7。

表2 试样的渗层深度、脆性级别及硬度值Tab.2 Nitrated layer depth，friability and Vickers hardness of test sample

图4 第1炉无裂纹（100x）Fig.4 Flawless nitrated layer from first furnace

图5 第2炉发现横向裂纹（100x）Fig.5 Transversal flaw in nitrated layer from second furnace

图6 第2炉发现纵向裂纹（100x）Fig.6 Longitudinal flaw in nitrated layer from second furnace

图7 第3炉无裂纹（100x）Fig.7 Flawless nitrated layer from third furnace

5 过程分析

5.1 对氮化罐进行退氮处理的目的

在3个炉次试验前均对氮化罐进行退氮处理，这是因为渗氮钢罐中镍及镍的某些化合物对氨的分解具有很强的催化作用，且随着渗氮的炉次增加，催化作用增加，使氨分解率不断增加，必须加大氨的通入量才能确保罐内氨分解率的稳定，保证渗氮质量。为确保不同炉次的试验具有可比性，将氮化罐对分解率的影响降至为最低。

5.2 对进、出气管道进行检查和清理的目的

由于前期的生产中出现了炉气压力不稳定的情况，在对减压阀进行拆卸后发现其内存在一定的污物，在对进、出气管道进行清理时发现管道内存在一定的白色沉积物（起催化作用的NH4Cl），这些杂物致使炉气压力在生产过程中形成一定的波动，导致罐内的分解率不断变化，从而引起罐内氮势的不断变化，最终影响产品的质量，所以必须对进、出气管道进行清理，以保证炉气压力的稳定，从而保证渗氮质量。

5.3 渗层裂纹分析

对比3炉次的试验结果，发现第2炉的试样上出现了脆性大及裂纹的缺陷，这是因为：

1） 渗氮时炉内气氛氮势过高，渗氮时表层晶格常数增加，体积增大，而心部则阻碍其长大，即表层受压应力，心部受拉应力，当氮势过高时零件的表面就会处于一种应力较高的状态，从而使零件的渗氮层脆性增大甚至产生裂纹。

2） 退氮时氮势变化速度快，退氮时表层晶格常数减小，体积缩小，而心部则阻碍其缩小，即最表层受拉应力，次表层受压应力，零件所受的应力状态与渗氮过程相反。当氮势变化过快时，应力状态的快速变化也会导致渗氮层脆性增大甚至产生裂纹。

3） 氮化罐的出炉温度过高，热应力相对较大一些，对渗氮层的应力状态也有一定的影响。

5.4 渗层深度分析

第1炉和第2炉渗层深度较深，这是因为：

1） 渗氮时的炉气压力较大，分解率较低。炉气压力越大，零件表面的氮活度越大，炉气的氮势越高；分解率越低，炉气的氮势越高，氮原子向工件内的渗透动力越强，渗层越深。

2）渗氮时的渗氮温度较高。渗氮温度越高，扩散速度越快，渗层越深。

6 结论

1) 设备状态不稳定是造成渗氮层脆性大及裂纹的主要因素。

2） 防止氮化罐老化、控制炉气压力及退氮过程，可以有效降低渗氮层出现脆性大及裂纹的倾向。

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