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沈阳黎明发动机制造公司 刘庆瑞
1CrI3 和2Cr13马氏体不锈钢在航空航天工业中应用很广。由于该钢调质处理后马氏体能完全分解成回火索氏体组织，因此可以获得比较好的强度和韧性配合，并经过氧化处理后形成稳定性高、弥散度大的氮化物，显著提高了工作表面硬度、耐磨性、疲劳强度和热稳定性，所以常被用作氮化零件。但多年实践表明，用这两种钢做的氮化零件常出现表面起泡的缺陷，有这种缺陷的零件经磨加工后氮化层易剥落，形成严重的麻点，导致大量的零件报废。
1Cr13常用作发动机的中支座零件，我公司从1964年就发现有上述缺陷。后来将淬火温度降到980℃，起泡现象有所减轻，但未能彻底解决。为此，工厂在改进氮化上艺方面做了许多试验，如提高氮化温度或降低氮化温度，缩短氮化时间或稀释气体氮化等，但都没有效果；在调整氮化扩散方面，增加扩散时间、通氮气扩散分段扩散等，结果也没有得到改善。除此之外，还将零件送到有关单位用不同炉子进行试验，均不见效。这表明，用调整氮化工艺来解决渗氮表面起泡问题是行不通的。也有的提出提高钢中碳的含量，但是仍出现同样问题。为此，我们进行了长期的研究，终于找出了起泡的规律和原因。
l.宏观分析
不管是1Cr13还是2Cr13钢件，氮化后表面出现的“起泡”是肉眼可见的高出表面的小鼓泡，由于生产炉不同，泡的疏密和大小也不相同，用细砂纸反复摩擦起泡的表面，起泡处就会变成有金属光泽的亮点，见图l。
图1 零件氮化起泡如箭头所示
2.起泡缺陷的本质
在起泡缺陷处取试样。用砂纸磨表面并抛光，当表面出现麻点时，用显微镜观察到麻点的形态是属于沿晶掉块，见图2。从起泡处切开，检查横断面，显示出短而宽的裂纹，见图3，同时发现氮化层皮下还有细的沿晶裂纹，裂纹深度一般为0.05～0.08毫米，最深的可达0.12毫米，井发现裂纹的晶界有明显的白色高氮相。
检查金相组织，凡是起饱零件的组织都比较粗大，起泡处晶拉度为4～5级，个别为3级，不起泡晶粒度为6～7级。
图2 100× 渗层磨后出现麻点（起泡）为掉晶
图3 100× 渗层起泡层里的裂纹
3.起泡原因分析
由图1～图3可以看出，起泡的实质是渗层皮下出现沿晶裂纹。渗层表面经磨加工后露出裂纹，并沿高氮相集聚的晶界裂纹处掉晶，形成了宏观上的麻点，影响了氮化磨削镜面的光沽度。
晶界上的氮化物对裂纹的影响是：氮化层表面有一层不受浸蚀的白亮的高氮相ε相，并从表面沿晶界向里伸展，有的包围了整个晶粒。氮化物相在晶界集聚的过程就是晶界内应力增加的过程。当氮化物体积增长到一定程度时，产生的内应力会使晶粒之间的结合力受到破坏，使晶界产生显微裂纹。
显微裂纹进步扩大可能与裂纹中的气相介质压力有关，有资料提出：在氮化终止的闭回火过程中，因气相介质中的氢和高氮相中的氮脱氨作用，使组织分解较为激烈。随体积的比容变化产件的内应力可造成氮化层裂纹.当形成高氮ε相时、氮倾向以自由状态析出。导致在位错处、晶界处和明显疏松处出现气态氮。这种氮在高温下开始以原子形式出现，以后变成分子形式。在氮化时便成为产生裂纹等缺陷的原因。根据上述分析和检查结果可以看出，氮化物粗大的晶界容易产生裂纹，不仅与氮化物体积膨胀有关；还与Cr的氮化物德定性差，以分子形式出现的气态氮升华压和分解压共同作用有关。
晶粒度因素的影响。从分析结果可知、晶粒粗大的晶界，氮化物也明显，而晶粒细的组织则相反.这是因为，晶粒愈粗大，单位面积上的晶界总长度愈小，则单位晶界面积上的氮化浓度愈高，晶界上的高氮相也愈加粗大。如38CrMoAlA钢淬火后的晶粒为7级时，氮化后晶界上氮化物相细而少;当晶粒度为5级时，氮化后晶界上_的氮化物相则粗而多。晶粒度大小又取决于淬火温度。淬火温度愈高，晶粒就愈大，对氮化层质量的影响就不利。
晶界结构的影响。从晶体体结构上分析，晶界结构是比较松散的，位错和缺陷比晶内多，而氮原子又是以间隙式进入金属晶体的，容易在晶界上富集，所以容易形成多相金属氮化物，给晶界裂纹创造了条件。
试验条件：1Crl3和2Cr13原淬火温度分别为980℃和1030℃。对1Crl3选出6种淬火温度，2Cr13选出9种淬火温度。1Cr13试件是在起泡的废品件上切取的，2Cr13试件是在锻件上切取的。渗氮工艺均按原生产工艺进行，试骏结果见表1。
从表1可以看出，淬火温度高，晶粒大是渗氮表面起泡的主要原因，所以降低悴火温度，使钢具有细晶粒组织是防止氮化层出现起泡的有效措施。
从表1的试验结果看，1Cr13钢淬火温度≥1000℃时，氮化试样均有起泡缺陷。980℃淬火的试样没有起泡，但在实际生产中却出现起泡缺陷.分析认为，这可能与取样原材料状态有关。实际生产经验证明，凡是渗氮层起饱的零件，如果再经第二次淬火调质处理，其氮化层就不会出现起泡或起泡明显减轻，这可能与第一次淬火后晶粒细化有关。将1Crl3钢淬火温度降至960℃是合适的，井已在实践中得到应用。
2Cr13的试验结果是：≥1050℃淬火试样，氮化后严重起泡，而经1030℃淬火处理的试样，虽然没有明显的起泡，但经检查、渗层里已出现细小沿晶裂纹。淬火温度再低的试样就没有这种现象了。这可能与材质成分偏差、偏析以及锻造工艺的差异有关，主要是与影响淬火后晶粒长大的因素有关。所以对2Cr13钢淬火温度选择970℃比较适合。对上述不同淬火处理的试样，再经渗氮后，中心硬度、表面硬度及渗层深度均符合技术条件要求。
4.结 论
1Crl3和2Cr13钢氮化层表面起泡的实质是氮化层里出现沿晶裂纹的结果，裂纹的产生是由于淬火温度高引起晶粒生长，使晶界上聚集粗大的高氮相，导致晶界应力集中和脆化，从而破坏了晶粒之间结合力而造成的。
降低淬火温度，使零件保持有细晶粒组织是防止氮化层起泡的有效措施，1Cr13预淬火温度选择960℃，2Cr13预淬火温度970℃较为合格。
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