张海巍, 马晓锋, 马 宁, 沈 琳, 蒋 东
(中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司, 北京 102200)
25Cr3MoA钢是一种淬透性良好的低碳合金结构钢,具有高强度、良好的塑韧性及焊接性能,是航空发动机的重要组成材料。该钢中添加了合金元素Cr、Mo,使该钢的组织更均匀,热处理性能稳定,淬透性显著增强,并提高了回火抗力,减轻了回火脆性。25Cr3MoA钢多用于制造受力类零件,如齿轮类、花键类、啮合轴类等,特别是承受较小应力或有薄壁结构的齿轮。该钢在600 ℃以下时,具有良好的高温性能,400 ℃以下时,有较高的疲劳强度。经调质处理后,高抗拉强度和韧塑性及良好的淬透性再次提高,而刚度热敏感性、脱碳倾向降低;特别是25Cr3MoA钢渗氮处理后,表面硬度高,渗氮层脆性小,是齿轮类、花键类零件的首选材料[1]。
我厂设计的齿轮内部带有花键,渗氮层要求0.31～0.41 mm,加工难度大,前期零件只能整体外协。但是外协加工的齿轮生产周期长,性能不稳定,多次出现运转后齿部断裂的情况。经权威机构失效分析后得出,发生断裂的原因是由于齿部、花键处显微组织已达8级,已不符合HB 5022—1994《航空钢制件渗氮、碳氮共渗金相组织检验标准》三类渗氮件(HB 5022ⅢN)显微组织1～5级的要求。随着我厂生产技术水平的提升,考虑到外协加工的不确定性,齿轮改为返回厂内生产,但外协生产时遇到的渗氮组织不合格问题仍然存在。问题的根源在于长时间渗氮后,易出现脉状、网状氮化物等,目前此种问题,已成为制约生产加工的瓶颈。急需车间设计一种可得到稳定组织、性能可靠,并适用于批量生产的渗氮工艺。
1.1 化学成分
试验采用的原材料为退火态的25Cr3MoA钢圆棒材,钢的实际化学成分采用光谱分析法测定,主要化学成分如表1所示,实测值符合技术要求。
表1 25Cr3MoA钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the 25Cr3MoA steel(mass fraction, %)
1.2 试样制备
试验前将棒材加工为φ30 mm×355 mm的圆棒,然后使用SOLO可控气氛多用炉,进行调质处理,温度为600～1050 ℃,温度均匀性≤±10 ℃。设备由炉体、加热系统、供气系统、油槽、循环水冷却系统、控制系统组成,可实现炉体与圆棒同时转移油淬火,避免了转移过程中圆棒淬火温度降低,淬火油为277HM快速淬火油。热处理制度为900 ℃油淬火+580 ℃回火空冷,调质后硬度为28～32 HRC。调质后检查25CrMoA钢试样的显微组织,见图1,组织评级为2级,索氏体分布均匀,无大块碳化物和大量未分解的残留奥氏体,符合三类渗氮件(HB 5022ⅢN)显微组织1～5级的要求。
图1 25CrMoA钢试样调质后的显微组织Fig.1 Microstructure of the 25CrMoA steel specimen quenched and tempered
将调质处理后的圆棒按照加工工艺依次进行车削、数控车床加工、线切割、滚齿、磨齿、切内花键、内磨、外磨等接近30多道的机械加工,最终加工完成试件供渗氮试验,渗氮试件如图2所示。
1.3 试验要求和方法
25Cr3MoA钢试件气体渗氮后,要求渗氮层厚0.35～0.41 mm,表面硬度≥750 HV。按图2所示,分别对齿轮和内花键剖切,按HB 5023—1994《航空钢制件渗氮、氮碳共渗渗层深度测定方法》检查齿轮和花键节圆处的渗层深度,按HB 5022—1994《航空钢制件渗氮、碳氮共渗金相组织检验标准》中ⅢN件检查齿轮和花键处组织,要求全齿渗氮层显微组织符合1～5级。
外协厂家采用传统普通井式气体渗氮炉进行渗氮,渗氮组织不合格,厂内采用同类气体渗氮炉进行复验,试验得到类似结果。因此本试验选用更加先进、可靠、稳定、受人为因素影响小的渗氮设备,采用带有预氧化催渗功能的SOLOP80可控气氛渗氮炉。该设备最高使用温度可达700 ℃,温度均匀性≤±5 ℃,通过氨气裂解气将氨气裂解成氮气和氢气,通过控制氨气含量实现炉内氮势的快速调节。同时,该设备具备预氧化和检测炉内剩余氨气分解率功能,可大大缩短渗氮时间。具体试验工艺及结果如表2所示。
表2 25Cr3MoA钢试件渗氮试验及结果Table 2 Nitriding test and results of the 25CrMoA steel piece
试验1采用原来的渗氮温度,缩短两个阶段的渗氮时间,以解决渗氮层组织粗大、层深过深问题。试验结果是组织3～4级合格,组织照片见图3(a),但渗氮层偏浅,只有0.28 mm,不符合技术要求。由Fe-N相图可知,延长强渗阶段Ⅰ保温时间,可增加渗层深度;降低扩散阶段Ⅱ温度,可有效改善渗层组织,于是进行了试验2。试验2结果表明,渗氮层深度与要求深度还相差0.04 mm,但组织已达到5级,齿部和内花键出现白层和脉状组织,齿部显微组织见图3(b)所示。通过以上试验结果得知,单纯延长渗氮时间或降低渗氮温度,会导致脉状、网状氮化物组织问题加剧,仍无法满足技术要求。
图3 不同试验工艺下25Cr3MoA钢试件齿部渗层的显微组织(a)试验1;(b)试验2Fig.3 Microstructure of nitrided layer of tooth of the 25Cr3MoA piece under different test processes(a) test 1; (b) test 2
(1)
图4 渗氮层生长的动力学曲线Fig.4 Dynamic curves of nitrided layer growth
脉状氮化物的出现与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关,渗氮温度越高、保温时间越长,越促进脉状组织的形成,齿轮、花键处渗氮温度相对较高,合金元素的偏聚较其他部位严重得多,更易出现脉状组织,从试件的尺寸图可以看出,此试件齿部模数2.166 mm,花键模数1.17 mm,齿的模数越小,渗氮加工难度也越高,出现脉状、网状氮化物的几率就越大。结合试验1、试验2,确认新的试验思路,渗氮可分为前期、中期和后期。前期、中期受温度影响大,渗速度较快,应采取较低渗氮温度;中期又属于过渡期,氮化物的成型期,氨气分解率应提高;而后期主要是氮化物的扩散需提供更高的动力。基于渗氮层形成的上述动力学特点和氮的扩散理论,结合Fe-N系统动态图[4],制定了三段法渗氮工艺。调节加热温度和氨流量,伴随着周期性的渗氮和一定温度下渗氮层的分解,既能有效控制在工件表面形成高氮浓度的渗氮层,又能迅速将阻碍后续氮原子向工件内部扩散的组织(如ε相)分解,加快氮原子向内部扩散。通过试验3三段法渗氮,内花键和齿部的渗层组织均匀,花键和齿部几乎无脉状组织出现,达到了预期效果,显微组织照片见图5。
图5 经试验3工艺渗氮后内25Cr3MoA钢试件内花键(a)和齿部(b)的显微组织Fig.5 Microstructure of internal spline(a) and tooth(b) of the 25Cr3MoA piece nitrided by test 3 process
1) 25Cr3MoA钢渗氮层深度>0.30 mm时,传统的两段法渗氮工艺,很难同时保证工件渗氮层深和尖边、尖角处渗氮层显微组织合格。
2) 25Cr3MoA钢渗氮层深度>0.30 mm时,想要增加渗氮层深度,不考虑工件显微组织的前提下,渗扩散阶段保温时间至少需要延长0.5～1倍以上。
3) 25Cr3MoA钢渗氮层深度>0.30 mm时,采用三段法渗氮工艺,可有效控制渗氮层出现脉状氮化物和白亮层。
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