潘學(xué)民,袁力江,雷明凱

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院表面工程實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

核主泵泵軸的作用主要是傳遞動(dòng)力,支撐葉輪保持在工作位置正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1-2]。核主泵的泵軸與電動(dòng)機(jī)軸采用分體結(jié)構(gòu)時(shí),兩者之間可通過(guò)齒形聯(lián)軸器連接。帶有內(nèi)齒的外套和帶有外齒的內(nèi)套組成齒形聯(lián)軸器,運(yùn)用內(nèi)外齒的嚙合傳遞扭矩。這種形式的連接,可以傳遞更大的扭矩并允許比較大的軸向偏移量,對(duì)于安裝的精度要求相對(duì)不高。聯(lián)軸器的性能關(guān)系到整個(gè)核主泵的效率,以及安全穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)聯(lián)軸器的材料及加工質(zhì)量要求嚴(yán)格[3-4]。核主泵泵軸安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)齒形聯(lián)軸器內(nèi)外套的滲氮內(nèi)外齒表面出現(xiàn)了尺寸3～10 mm、顏色比正常區(qū)域略深且金屬光澤暗淡的表面斑點(diǎn)缺陷,圖1是核主泵齒形聯(lián)軸器內(nèi)外齒部位照片,在照片中圓圈指示位置均有表面斑點(diǎn)缺陷。這類(lèi)表面斑點(diǎn)缺陷不僅影響核主泵泵軸的表觀質(zhì)量,也可能對(duì)安全穩(wěn)定服役具有潛在危害。圖2是一個(gè)典型的表面斑點(diǎn)缺陷放大照片。

圖1 核主泵泵軸齒形聯(lián)軸器內(nèi)外齒面的表面斑點(diǎn)缺陷照片F(xiàn)ig.1 Surface spot defects of internal tooth and external tooth of gear coupling used in nuclear main pump

核主泵泵軸齒形聯(lián)軸器材料為42Cr Mo結(jié)構(gòu)鋼,制造加工工藝流程為下料→毛坯粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→精車(chē)→銑外齒→齒面滲氮→光飾。針對(duì)內(nèi)外齒滲氮表面出現(xiàn)的斑點(diǎn)缺陷,主要從3個(gè)方面進(jìn)行原因分析:① 原材料成分組織不均勻;② 機(jī)械加工過(guò)程所致;③ 滲氮過(guò)程產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)對(duì)加工毛坯成分化驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)合金成分異常,排除了原材料不均勻的原因。影響齒面表觀質(zhì)量的最后機(jī)械加工工序分別是數(shù)控銑內(nèi)外齒和光飾整體聯(lián)軸器,銑床刀具和光飾磨塊的加工路徑及其與齒形聯(lián)軸器內(nèi)外套的加工作用方式,不可能產(chǎn)生如圖1所示的表面斑點(diǎn)缺陷,同樣排除了機(jī)械加工的原因。根據(jù)表面斑點(diǎn)缺陷硬度比其他區(qū)域偏低,可能的產(chǎn)生原因來(lái)自滲氮過(guò)程。齒形聯(lián)軸器除內(nèi)外齒表面均需涂刷防滲劑進(jìn)行防滲保護(hù),齒面防滲劑殘留或者未徹底清除的表面油污、機(jī)械加工過(guò)程的冷卻劑等異物遮蓋均可能影響滲氮效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M防滲劑表面殘余對(duì)滲氮過(guò)程的影響,利用掃描電鏡、電子探針、X射線衍射儀,以及維氏硬度計(jì)分別對(duì)滲氮層斑點(diǎn)缺陷進(jìn)行觀察和檢測(cè),給出滲氮表面斑點(diǎn)缺陷成因和消除措施。檢測(cè)位置如圖2中字母A、B、C所示,字母A標(biāo)識(shí)正常區(qū)域,字母B標(biāo)識(shí)正常區(qū)域與表面斑點(diǎn)缺陷交界處,字母C標(biāo)識(shí)表面斑點(diǎn)缺陷內(nèi)部的圓心附近位置。

1 滲氮實(shí)驗(yàn)

氣體滲氮是一種提高金屬零件表面硬度和耐磨性的常用熱處理工藝,具有處理溫度較低,工件畸變較小,表面硬度高,耐腐蝕,滲層強(qiáng)化相可控等優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛應(yīng)用[5]。齒形聯(lián)軸器齒面部位氣體滲氮處理工藝步驟如下:裝倉(cāng)密封,通氨氣0.5 h,流量10 m3/h,爐內(nèi)壓力800 Pa,排除空氣到≤2%;升溫至300～320℃保溫6 h;升溫至490～500℃保溫4 h,調(diào)整氨氣分解率到18%～25%;在490～500℃滲氮20 h,氨氣分解率18%～25%;在510～520℃滲氮50 h,氨氣分解率30%～50%;在510～520℃脫氮3 h;降溫,通氨氣至200℃。齒形聯(lián)軸器通過(guò)齒嚙合傳遞扭矩,為了提高耐磨性又不影響其他部位良好韌性,對(duì)齒面部位進(jìn)行了氣體滲氮強(qiáng)化處理,而對(duì)其他部位則刷涂防滲劑進(jìn)行防滲保護(hù)。

1.1 金相觀察

圖3給出了表面斑點(diǎn)缺陷不同位置截面金相照片,顏色呈現(xiàn)白色條帶處為合金氮化物比較多的區(qū)域,不易腐蝕,顏色相對(duì)較淺,白亮層內(nèi)側(cè)區(qū)域合金氮化物比較少,容易腐蝕,所以顏色較深。圖3(a)是圖2中字母A位置的截面照片,從圖中可以看到白亮層厚度9～10μm。圖3(b)是圖2中字母B位置的正常滲氮區(qū)與表面斑點(diǎn)交界處截面照片,白亮層厚度左側(cè)約2μm,右側(cè)約4μm。圖3(c)是圖2中字母C位置截面照片,白亮層深度約2μm?？梢园l(fā)現(xiàn),表面斑點(diǎn)缺陷位置白亮層深度明顯減少但并未徹底杜絕白亮區(qū)存在,原因一方面是齒面殘留物防滲效果有限,并未徹底起到阻止氮元素?cái)U(kuò)散作用;另一方面是氮化物除了沿著垂直于表面的方向生長(zhǎng),還沿著平行于表面的方向生長(zhǎng)。圖3(b)中白亮層右側(cè)比左側(cè)深度大而且逐漸過(guò)渡也說(shuō)明氮化物除了垂直生長(zhǎng)還平行于表面生長(zhǎng)。

圖3 表面斑點(diǎn)缺陷不同位置截面金相照片F(xiàn)ig.3 Cross-sectional metallography of different position for surface spot defect

1.2 氮濃度分布

圖4 給出了利用EPMA電子探針?lè)治龅獫舛确植嫉臋z測(cè)結(jié)果。從圖4中一方面可以看出從表面向內(nèi)側(cè),A、B、C三個(gè)位置氮元素濃度均隨著深度增加而降低,白亮層氮濃度很高,由白亮層進(jìn)入內(nèi)側(cè)擴(kuò)散層,氮濃度則呈現(xiàn)斷崖式下降,氮原子在白亮層內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)低于基體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù),擴(kuò)散層厚度明顯大于白亮層厚度;另一方面可以看到C位置 (缺陷區(qū)域)無(wú)論是白亮層還是擴(kuò)散層的氮濃度都低于A位置(正常區(qū)域)相應(yīng)部位的氮濃度,說(shuō)明齒面上的異物遮蓋會(huì)對(duì)白亮層和擴(kuò)散層的氮原子向內(nèi)部擴(kuò)散均起到影響作用。

圖4 表面斑點(diǎn)缺陷不同位置的氮濃度分布結(jié)果Fig.4 Nitrogen concentration distribution of different position for the surface spot defect

1.3 相結(jié)構(gòu)分析

圖5 給出了42Cr Mo結(jié)構(gòu)鋼試樣未滲氮位置、齒面正常區(qū)域A位置及表面斑點(diǎn)區(qū)域C位置的X射線衍射圖譜。42Cr Mo合金原始試樣組織為α鐵素體+少量滲碳體,由于滲碳體數(shù)量較少,未滲氮位置X射線衍射圖譜沒(méi)有出現(xiàn)滲碳體衍射峰。A位置正常滲氮區(qū)域表面物相由γ′-Fe4N+ε-Fe2-3N相組成,而C位置表面斑點(diǎn)缺陷區(qū)域表面物相為γ′-Fe4N。滲氮過(guò)程中隨著時(shí)間延長(zhǎng)氮元素在化合物層內(nèi)累積達(dá)到一定濃度,會(huì)發(fā)生Fe4N→Fe2-3N轉(zhuǎn)變[5-6],形成雙相組織,而斑點(diǎn)缺陷位置的表面在相同的滲氮時(shí)間下由于殘留異物的阻礙作用導(dǎo)致氮元素的累積尚未達(dá)到轉(zhuǎn)變濃度,組織為單相γ′-Fe4N。

2 滲氮表面硬度

圖5 表面斑點(diǎn)缺陷不同位置X射線衍射圖譜Fig.5 X ray diffraction pattern of different position for the surface spot defect

圖6 給出了沿著試樣A位置和C位置截面由表及里測(cè)量顯微硬度數(shù)據(jù)繪制的硬度—深度分布曲線,從圖中可以看到,無(wú)論是A位置正常滲氮區(qū)域還是C位置表面斑點(diǎn)缺陷中心區(qū)域,從表面到內(nèi)部,硬度均逐漸降低,相同深度情況下,正常區(qū)域的硬度值要高于缺陷區(qū)域的硬度值。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 11354—2005規(guī)定,從試樣表面測(cè)至比基體維氏硬度值高HV0.25N0.50 GPa處的垂直距離為滲氮層深度,可以得到A位置截面總滲層深度約400μm,C位置截面總滲層深度約140μm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得到的滲氮層深度大于圖3直接看到的化合物層深,原因是在滲氮過(guò)程中,除了形成氮化物層,還形成硬度值高于基體的氮原子擴(kuò)散層,化合物層深度和擴(kuò)散層深度決定了處理工藝中的滲氮時(shí)間,且實(shí)踐證明深度值與滲氮時(shí)間平方根成正比[7]。

圖6 表面斑點(diǎn)缺陷不同位置硬度—深度分布曲線Fig.6 Hardness-depth profile of different position for the surface spot defect

3 缺陷成因及消除措施

結(jié)合前述檢測(cè)分析數(shù)據(jù),表面斑點(diǎn)缺陷區(qū)域的化合物層厚度和氮濃度均顯著降低,組織為單相γ′-Fe4N,顯微硬度由HV0.25N6.15 GPa降低至HV0.25N5.10 GPa,可知齒形聯(lián)軸器內(nèi)外齒部位出現(xiàn)顏色略深、金屬光澤暗淡的表面斑點(diǎn)缺陷的直接原因是該區(qū)域的氮濃度、物相構(gòu)成有別于正常區(qū)域。這類(lèi)缺陷的危害是導(dǎo)致滲氮零部件局部區(qū)域滲氮層深度不達(dá)標(biāo),硬度值偏低,耐蝕性下降,耐磨性和抗疲勞性能降低,直接影響零部件的服役性能,在滲氮處理過(guò)程中要避免出現(xiàn)這類(lèi)缺陷。裝爐前清洗加工零件,并用汽油或酒精等脫脂,保證待滲氮區(qū)域表面干凈整潔是防止出現(xiàn)這類(lèi)缺陷的有效措施,如果已經(jīng)出現(xiàn)表面斑點(diǎn)缺陷需要設(shè)計(jì)合理的滲氮返修工藝消除不利影響。

核主泵齒形聯(lián)軸器工作環(huán)境苛刻,運(yùn)行安全性要求高,包括滲氮在內(nèi)的每一道加工工序質(zhì)量控制都要嚴(yán)格,對(duì)發(fā)生的缺陷認(rèn)真分析原因,采取相應(yīng)的對(duì)策,就會(huì)減少甚至避免缺陷的產(chǎn)生,保證核主泵齒形聯(lián)軸器的加工質(zhì)量。