预氧化对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢渗氮层质量的影响

施国梅，刘 永，王 蕊，薛怡然

(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁沈阳 110043)

0 前 言

氮化处理是一种将氮原子渗入钢铁零件的表面，从而改变钢的表面成分，提高表面硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度等性能的技术。随着氮化工艺的发展，氮化零件不仅具有表面硬度高、耐磨性高、变形小的特点，而且在600 ℃下仍可维持高硬度，具有比渗碳零件更高的弯曲疲劳强度和抗腐蚀性能。因此，在一些易变形、不能磨削的机械制品以及要求高耐磨性、高精度的零件中均采用氮化工艺技术，如内齿轮、活塞、销轴等[1-3]。

一般采用含碳量0.15%～0.45%的普通合金结构钢作为氮化用钢，但当钢材在腐蚀性较强的介质中工作，且要求具有高耐磨性、高强度和韧性时，也会采用各种类型的不锈钢作为氮化用钢[4-6]。由于不锈钢中的Cr、Ni含量较高，与空气作用，在表面会形成一层致密的氧化物薄膜，即钝化膜。而钝化膜会阻止氮原子的渗入，故在不锈钢渗氮过程中要进行去除钝化膜的处理。常用的去除钝化膜的方法有物理催渗(离子渗氮)、机械法(吹砂)和化学法(NH4Cl、TiCl3)。受零件形状、环境、设备、砂粉、操作人员手法及入炉时间等因素的影响，零件吹砂较难控制，零件渗氮后常出现渗氮表面局部发黑、渗层深度及硬度不足的现象，影响产品质量。其原因是不锈钢待渗表面未被去除的钝化膜在渗氮过程中会阻碍或延缓活性氮原子在该部位的表面吸附，此处的氮原子浓度低于其他部位，造成渗氮层不均匀，渗层深度及硬度不足。针对该现象，本工作在零件渗氮前增加预氧化过程，以活化渗氮表面，实现对不锈钢渗氮的催渗，进而改善渗氮层质量。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢，其主要化学成分(质量分数)为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，Fe余量。试样尺寸为30 mm×10 mm×4 mm。渗氮前调质工艺为：(1 000～1 020) ℃×10 min油冷淬火，660 ℃×70 min回火；气体渗氮工艺为：(550～600)℃×(25～30)h，使用气体为无水液氨。

1.2 预氧化参数选择

随着加热温度升高零件表面形成的氧化膜逐渐加厚，根据Fe-O平衡状态图可知铁的氧化反应式为式(1)、(2)：

570 ℃以下

(1)

570 ℃以上

(2)

由式(1)可知，当预氧化温度低于570 ℃时，零件形成一层Fe3O4氧化膜，而温度超过570 ℃时零件表面则形成一层过厚的FeO和Fe2O3氧化膜，其结构疏松，氧和铁原子易于通过FeO而进行扩散，氧化速度急剧增加。同时考虑到1Cr11Ni2W2MoV的材料特性，在380～540 ℃之间存在回火脆性，因此本工作选择550 ℃的空气炉中以不同保温时间对试样进行预氧化处理，目视检查经过不同预氧化保温时间的试样的表面颜色，预氧化完成后按1.1节参数完成渗氮处理；采用表面洛氏硬度机检查渗层表面硬度；试样金相制样后采用苦味酸腐蚀剂进行腐蚀，采用金相显微镜检查渗层深度、渗层金相组织。

2 试验过程

对经调质处理后的试样在渗氮前采用如表1所示不同表面处理方式。为了验证预氧化试样的效果，考察预氧化后试样表面在长期暴露于空气中时是否还形成钝化膜，经预氧化后的试样于室温放置800 h，再进行氮化处理。未经预氧化的9号试样在渗氮前采用吹面砂以清理表面。所有试样同炉进行气体渗氮处理。

表1 试样预氧化工艺参数及结果

由表1可见，在550 ℃预氧化温度下，随着加热时间延长，试样表面颜色由黄铜色逐渐变深，表面氧化加重，加热25 min时，颜色已呈紫铜色。通过对氧化后的试样金相检查发现所有试样均未显现出氧化脱碳迹象，表面平滑，无内氧化情况发生，说明加热30 min内试样表面均形成Fe3O4和Cr2O3膜，但其致密性远低于Cr的钝化膜，且2种膜属于完全抗氧化级。

3 试验结果及分析

不同表面处理的1Cr11Ni2W2MoV材料试样渗氮后渗层的金相组织见图1。采用HB5023“航空钢制件渗氮、氮碳共渗渗层深度测定方法”中规定的金相法检测渗氮层深度。渗层组织和脆性按HB5022“航空钢制件渗氮、氮碳共渗金相组织检验标准”检测。渗层硬度、深度、组织、脆性等性能检测结果如表2所示，预氧化时间与渗层深度的关系如图2所示。从图1可以看出不同前处理试样均有渗氮层，渗氮前表面未经氧化或吹砂的试样，渗层质量较差。由表2和图2可见，不经任何表面处理的试样，表面局部发黑，渗层深度及硬度不均，达不到渗氮技术要求；试样经过预氧化处理可以达到吹砂效果，表面致密的钝化膜被破坏，得以活化；所有试样渗氮层深度均存在不均匀现象，但经过预氧化处理的试样渗层最均匀，偏差在0.02 mm范围内，且不同预氧化时间得到的试样具有不一样的渗层深度及渗层硬度；在550 ℃下预氧化时间5～20 min，得到的试样具有最佳的渗氮效果。

在气体渗氮过程初期，氨气裂解出活性氮原子和氢气[见式(3)]，经过预氧化试样表面的Fe3O4很快被氢还原，形成活泼的初生铁[见式(4)]，活性氮原子在试样表面吸附，并向基体内扩散。

(3)

(4)

另外，由图1还可以看出，试样在550 ℃下空气炉中加热1 min，表面钝化膜即可被破坏，随着预氧化时间的延长，试样表面氧化膜增厚，钝化膜被完全破坏，提高了活性氮原子吸附及扩散能力，但如果预氧化时间过长，氧化膜厚度继续增加，Fe3O4还原时间及氮原子穿过氧化膜时间延长，降低了渗氮速度，但不影响最终试样渗层的均匀性。

4 结 论

(1)渗氮前对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢制件试样进行550 ℃预氧化处理可破坏其表面的钝化膜，达到催渗的效果，最佳加热时间为5～20 min；

(2)渗氮前经过550 ℃预氧化处理的1Cr11Ni2W2MoV不锈钢制件试样的渗层的均匀性及渗氮速度均优于渗氮前仅进行吹砂处理的试样。