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[摘 要]某型号发动机试制过程中，出现了马氏体不锈钢（1Cr11Ni2W2MoV和1Cr12Ni2WMoVNb）氮化后，经检验：渗层深度合格、组织合格、硬度和脆性合格的情况下，经下工序精磨后，在磨削面出现黑点或边缘掉块的情况。针对这一问题，我们通过解剖俄原型机与我们生产的零件对照分析原因、办理实验卡片优化渗氮工艺、与主制分厂协商磨削余量等措施，生产出了经氮化磨削后表面没有缺陷的氮化零件，最终使氮化质量满足了设计图要求。
[关键词]不锈钢、氮化、磨削、黑点、掉块
中图分类号：TG580.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）29-0006-01
一、引言
氮化即渗氮是把氮渗入零件表面，以获得高氮表层的化学热处理工艺。渗氮件表面具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性以及抗咬合性。不锈钢氮化有其特有的特点：由于不锈钢含有大量的铬，一般情况下在表面形成一层致密的氧化膜（Cr2O3，即钝化膜），在渗氮时它阻碍氮原子渗入，因此，在零件渗氮前必须去除掉。我们采用的吹砂方式去除。不锈钢材料还由于含合金元素较多，会阻碍氮原子的扩散，渗氮速度较慢，因而渗氮时间较长，会造成大量的氮原子在渗层表面堆积，使渗层表面脆性较大。大部分氮原子的扩散沿晶界进行，因此表层晶界的脆性更大。金相显示氮化表层0.05mm深度范围内有沿晶裂纹，在磨削时会产生剥落开裂，因而磨削后表面有麻点现象。
本文通过对不锈钢渗氮后，磨削表层剥落的现象，分析原因，并采取措施，有效的解决了该技术问题。
二、正文
1.不锈钢表面渗氮后，磨削表面剥落现象的原因分析
表面剥落和沿晶界微裂纹均与晶粒度大小和表层氮浓度高低有关系。晶粒愈粗大，表层氮浓度愈大，表层应力愈容易集中，而在表层的径向往往出现拉应力，导致剥落和微裂纹。渗氮过程中：氮和许多元素都能形成稳定的金属氮化物，以Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe为序，这些弥散的合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时又具有高的抗腐蚀能力。氮在α-Fe铁中达到饱和后，便形成金属氮化物：α相之后继续渗氮时，才依次形成γ’相、ε相。不锈钢渗氮后，由于表面集氮，在表层形成一层富氮层：ε层，此层不易蚀显，在金相显微镜下很容易发现外表这一亮层即白亮层（简称白层），主要是ε层。一般情况下，ε相很脆，易于剥落，除抗蚀氮化外，以硬化为目的的氮化不允许有ε相存在，但也有文献表明，不锈钢的ε相反而降低抗腐蚀能力，所以，不锈钢此层必须去除，多采用的去除方法是氮化后磨削去除掉。俄设计图要求氮化层磨削0.03-0.08mm。通过对俄原型机的解剖发现完全去除了白层。而我们生产出的零件，白层超过了0.08mm，按设计图要求磨削0.03-0.08mm后，未完全磨掉该层，最终导致磨削后出现黑点或麻点（图1，图2）。
2.措施
2.1 防止晶粒粗大
防止晶粒粗大的方法有：一、严格控制锻造工艺，始锻温度不能过高，锻造变形量应避开临界变形区；二、严格控制淬火温度和时间。因热表分厂主要负责调质和化学处理，所以淬火时采用标准要求的下限温度和下限时间，控制晶粒度在6级以上，减少剥落可能性。
2.2 增加氮化表面磨削量
办理实验卡片，对我分厂生产出的零件进行超过设计图要求磨量的磨削：发现磨削0.12mm后，可以去除表面缺陷，表面未见黑点和麻点，实验结果表明，以热表分厂现有的设备，生产出的零件，只能控制白层在0.12mm左右，超过了俄罗斯零件磨削最大0.08mm的要求。针对上述实验，又办理了另一实验卡片，实验内容是：增加渗层深度，提高0.04-0.05mm，并磨削0.12mm-0.13mm后，检验零件表面硬度、渗层组织是否符合设计图要求。我们通过增长渗氮时间，将以前的30h延长到40h，增加了渗层深度0.05mm，并通过磨削0.12mm后打硬度，证明可以满足设计图对渗层深度和表面硬度的要求。但在后面实际试制零件的过程中，发现：增加了深度的渗层，由于表面富氮层氮浓度过高，导致零件在磨削时，尖角处出现掉快。（氮化零件尖角处容易因尖角效应，出现网状氮化物，增加脆性。）虽然解决了麻点和黑点等表面缺陷，却又出现了新的掉块问题，最终未采用此措施改进。
2.3 调整氮化前机加形状
由于上述尖角效应，与主制分厂协商了氮化前尺寸，主要调整了氮化过渡区形状，通过增加倒角，使原有的容易产生尖角效应的锐角变成钝角，减少掉块倾势。
2.4 优化氮化技术要求和工艺参数
控制渗层表面氮浓度：不锈钢含有大量形成氮化物的合金元素，渗氮速度较慢。对渗氮层厚度要求过深，往往要大大延长渗氮时间，造成表面氮浓度偏高。增加白层厚度，磨削时易导致黑点。因而在满足设计图要求的前提下，应尽量减少渗氮层厚度。采用减少变形的措施可以减少加工余量，从而也可以降低对渗氮层深度的要求。所以，重新与主制分厂协商，按照原设计图磨削量磨削，不用增加磨削量而导致渗氮深度加深。并注意零件摆放位置、采用平整托板、缓慢升降温等方式，控制变形，减少后续磨削量。并缩短渗氮时间，采用设计图下限渗层深度，减低表面氮浓度。增加退氮工艺，在确保渗层深度后，增加了段退氮工艺：提高氨分解率到90%以上，使表面氮浓度下降，降低脆性。
三、结论与讨论
1.结论
通过上述措施，渗氮后零件渗层深度为设计图中下限，硬度、组
织。经过主制车间按设计图要求磨量0.03-0.08磨削后，表面未见黑点或麻点和掉块现象，有效的解决了此技术问题。
2.讨论
渗氮工艺参数主要取决于：温度、时间和氮势。而氮势的控制影响了零件最终金相组织和脆性，现在国际上已经有了可控氮势的设备，可以生产出无白层和无尖角效应的渗氮层，希望公司调研，引进现代化新设备。
参考文献
[1] 航空制造工程手册热处理.航空工业出版社.1993.418-420页.
[2] 金属学及热处理.科學出版社.1977.328-333页.
[3] 提高不锈钢渗氮质量.北京机床研究所.沈云亚.
[关键词]不锈钢、氮化、磨削、黑点、掉块
中图分类号：TG580.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）29-0006-01
一、引言
氮化即渗氮是把氮渗入零件表面，以获得高氮表层的化学热处理工艺。渗氮件表面具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性以及抗咬合性。不锈钢氮化有其特有的特点：由于不锈钢含有大量的铬，一般情况下在表面形成一层致密的氧化膜（Cr2O3，即钝化膜），在渗氮时它阻碍氮原子渗入，因此，在零件渗氮前必须去除掉。我们采用的吹砂方式去除。不锈钢材料还由于含合金元素较多，会阻碍氮原子的扩散，渗氮速度较慢，因而渗氮时间较长，会造成大量的氮原子在渗层表面堆积，使渗层表面脆性较大。大部分氮原子的扩散沿晶界进行，因此表层晶界的脆性更大。金相显示氮化表层0.05mm深度范围内有沿晶裂纹，在磨削时会产生剥落开裂，因而磨削后表面有麻点现象。
本文通过对不锈钢渗氮后，磨削表层剥落的现象，分析原因，并采取措施，有效的解决了该技术问题。
二、正文
1.不锈钢表面渗氮后，磨削表面剥落现象的原因分析
表面剥落和沿晶界微裂纹均与晶粒度大小和表层氮浓度高低有关系。晶粒愈粗大，表层氮浓度愈大，表层应力愈容易集中，而在表层的径向往往出现拉应力，导致剥落和微裂纹。渗氮过程中：氮和许多元素都能形成稳定的金属氮化物，以Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe为序，这些弥散的合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时又具有高的抗腐蚀能力。氮在α-Fe铁中达到饱和后，便形成金属氮化物：α相之后继续渗氮时，才依次形成γ’相、ε相。不锈钢渗氮后，由于表面集氮，在表层形成一层富氮层：ε层，此层不易蚀显，在金相显微镜下很容易发现外表这一亮层即白亮层（简称白层），主要是ε层。一般情况下，ε相很脆，易于剥落，除抗蚀氮化外，以硬化为目的的氮化不允许有ε相存在，但也有文献表明，不锈钢的ε相反而降低抗腐蚀能力，所以，不锈钢此层必须去除，多采用的去除方法是氮化后磨削去除掉。俄设计图要求氮化层磨削0.03-0.08mm。通过对俄原型机的解剖发现完全去除了白层。而我们生产出的零件，白层超过了0.08mm，按设计图要求磨削0.03-0.08mm后，未完全磨掉该层，最终导致磨削后出现黑点或麻点（图1，图2）。
2.措施
2.1 防止晶粒粗大
防止晶粒粗大的方法有：一、严格控制锻造工艺，始锻温度不能过高，锻造变形量应避开临界变形区；二、严格控制淬火温度和时间。因热表分厂主要负责调质和化学处理，所以淬火时采用标准要求的下限温度和下限时间，控制晶粒度在6级以上，减少剥落可能性。
2.2 增加氮化表面磨削量
办理实验卡片，对我分厂生产出的零件进行超过设计图要求磨量的磨削：发现磨削0.12mm后，可以去除表面缺陷，表面未见黑点和麻点，实验结果表明，以热表分厂现有的设备，生产出的零件，只能控制白层在0.12mm左右，超过了俄罗斯零件磨削最大0.08mm的要求。针对上述实验，又办理了另一实验卡片，实验内容是：增加渗层深度，提高0.04-0.05mm，并磨削0.12mm-0.13mm后，检验零件表面硬度、渗层组织是否符合设计图要求。我们通过增长渗氮时间，将以前的30h延长到40h，增加了渗层深度0.05mm，并通过磨削0.12mm后打硬度，证明可以满足设计图对渗层深度和表面硬度的要求。但在后面实际试制零件的过程中，发现：增加了深度的渗层，由于表面富氮层氮浓度过高，导致零件在磨削时，尖角处出现掉快。（氮化零件尖角处容易因尖角效应，出现网状氮化物，增加脆性。）虽然解决了麻点和黑点等表面缺陷，却又出现了新的掉块问题，最终未采用此措施改进。
2.3 调整氮化前机加形状
由于上述尖角效应，与主制分厂协商了氮化前尺寸，主要调整了氮化过渡区形状，通过增加倒角，使原有的容易产生尖角效应的锐角变成钝角，减少掉块倾势。
2.4 优化氮化技术要求和工艺参数
控制渗层表面氮浓度：不锈钢含有大量形成氮化物的合金元素，渗氮速度较慢。对渗氮层厚度要求过深，往往要大大延长渗氮时间，造成表面氮浓度偏高。增加白层厚度，磨削时易导致黑点。因而在满足设计图要求的前提下，应尽量减少渗氮层厚度。采用减少变形的措施可以减少加工余量，从而也可以降低对渗氮层深度的要求。所以，重新与主制分厂协商，按照原设计图磨削量磨削，不用增加磨削量而导致渗氮深度加深。并注意零件摆放位置、采用平整托板、缓慢升降温等方式，控制变形，减少后续磨削量。并缩短渗氮时间，采用设计图下限渗层深度，减低表面氮浓度。增加退氮工艺，在确保渗层深度后，增加了段退氮工艺：提高氨分解率到90%以上，使表面氮浓度下降，降低脆性。
三、结论与讨论
1.结论
通过上述措施，渗氮后零件渗层深度为设计图中下限，硬度、组
织。经过主制车间按设计图要求磨量0.03-0.08磨削后，表面未见黑点或麻点和掉块现象，有效的解决了此技术问题。
2.讨论
渗氮工艺参数主要取决于：温度、时间和氮势。而氮势的控制影响了零件最终金相组织和脆性，现在国际上已经有了可控氮势的设备，可以生产出无白层和无尖角效应的渗氮层，希望公司调研，引进现代化新设备。
参考文献
[1] 航空制造工程手册热处理.航空工业出版社.1993.418-420页.
[2] 金属学及热处理.科學出版社.1977.328-333页.
[3] 提高不锈钢渗氮质量.北京机床研究所.沈云亚.