摘要：简述了环境效应的内容，零件生产、使用中的各种环境效应影响。并对应用天然气的环境效应作了详细的剖析。另外，还列举分析了一些环境效应引起失效的典型实例，从而提出了对环境效应的几点认识。

关键词：环境效应；失效分析；净化的天然气、净化的丙烷气、服役如初的寿命

零件生产使用中存在大量的“环境效应”。如金属零件的生产从原材料——机加工——热处理——后处理（加工等）——使用等等多个环节，均存在环境效应。就以原材料来说，要经过冶炼、浇注、锻轧等多道工序。在冶炼中遇到氧化、还原反应，会通入氧气、氩气，加入各种熔剂等；并采用真空、电磁搅拌、精炼等一系列手段，通过这些环境效应，控制好原材料的成分、各种气体（氮、氢、氧）含量、杂质（S、P）量以及夹杂物。然后通过浇注、轧锻、预先热处理进一步确保原材料的质量，降低疏松、偏析程度、控制夹杂物大小、形态、分布以及含氢量等。其中浇注采用的气氛（或真空），轧锻、预先热处理加热中使用的气氛等环境效应对零件的失效影响极大。人们就环境效应对失效的影响、加热中使用的气氛环境关注研究尚不足，本文就这些问题作一深入探讨研究。

1 环境效应的内容

图1列举了齿轮钢零件生产使用过程中的环境效应。

其中环境效应均会不同程度导致零件失效，从而我们要更深入了解、研究“环境效应”对失效的影响，做到事先控制、预防为主，提高零件使用(质量)的可靠性、稳定性、持久性，达到预期服役寿命。

1 原材料（冶铸轧锻）生产的环境效应

1.1 冶铸

冶炼时通过熔炼、精炼，采取通氩、真空、电磁搅拌、电渣重熔等一系列措施。通过这些环境效应达到控制成分、气体含量（氮、氢、氧）、S、P量，提高纯净度，减少夹杂物、偏析等，降低失效破坏几率，延长服役寿命(尤其疲劳寿命）。这些环境效应大多在目前生产中已经采纳，获得相应的技术要求。如德国SEW减速机公司，原材料订货时要求[H]≤2×10^-4%、[O]≤20×10^-4%，夹杂物中氧化物≤1级，硫化物≤1级；又如我国兵器用的枪炮钢，要求氧化物≤1.5级、硫化物≤1.5级，二者之和≤2.5级。

1.2 轧锻

轧锻 主要成形，并提高材料的致密性、均匀性及力学性能。有些钢大件经锻造及预防白点退火（预先热处理，俗称扩氢退火），能大大降低形成白点的倾向。早先认为白点形成的原因主要是钢中含氢量高（超过一定临界值）及内应力大所致。近期俄罗斯学者检测发现在白点的工件内有H₂S的存在，并且在白点的壁周有FeS存在，甚至镍钢中还有NiS的存在，它们认为白点的形成不单是H+H→H₂，而可能加热的气氛中存在硫，为此他们对加热气氛的硫含量要求控制在0.5 mg/m³以下，露点（水气）低于-40℃(当年重庆296厂引进俄罗斯150m³/h有一定还原性的天然气制氮全套设备)。还指出：如果是氢形成的白点，经锻打、预防白点退火后能焊合，而有硫化物形成的白点裂纹虽也能焊合,但会形成断链椭圆状夹杂物。

一旦有白点的材料作报废处理或改锻后裂纹焊合才能使用。

加热气氛环境下零件渗入硫，白点、硫夹杂物会导致失效、服役寿命大大降低，下面进一步讨论。

2 生产中应用天然气的环境效应

轧锻热处理中会大量使用天然气直接加热，其产生的环境效应讨论如下：

3.1天然气标准

目前城市用的天然气标准GB17820-1999《天然气技术要求》，热处理参照Ⅱ类（见表1），规定含硫（无机硫）量≤20 mg/m³，有机硫不作要求。实际上各地区、各时段成分的波动大。就重庆地区而言，其波动范围：有机硫30～248 mg/m³、无机硫10～78 mg/m³，甚至总硫量高达1100 mg/m³。文献【1】提出含硫量越低越好，文献【2、3】提出水份越低越好。

表1    天然气国家标准GB17820-1999

注：该标准未提汞的要求：重庆地区≤100mg/m³,有的地区≥200 mg/m³，净化后的天然气指标：有机硫﹤3 mg/m³，无机硫﹤1 mg/m³，水≤－60℃，汞无，石油无

3.2天然气用作直接加热时的环境效应

采用天然气直接加热时，由于天然气中存在大量的硫—有机硫（如：硫醚、硫醇、四氢噻吩等26种）和无机硫（H₂S），在这样的环境下，工件会渗入S，甚至渗入Hg，服役寿命大大降低，反之经净化后的天然气直接加热，服役寿命大幅提高，如我们自行设计的5.8 mm自动步枪，采用净化后的天然气直接加热，仅改变这样的环境，使其高温、低温、常温下的服役寿命提高一个数量级，处于世界领先水平。这样的环境效应影响过去不被人们关注，现值得强调。

  顺便提一下，采用未经净化的天然气直接加热，对发生器（Rx气）炉罐、耐热钢炉底板，甚至电阻丝Cr20Ni80等均因硫和汞的渗入形成硫化物、汞化物而发生断裂，断口为亮晶块状，有银亮面，极硬，连锉刀也锉不动，金相组织为马氏体。这奥氏体→马氏体相变，除用氢压说（氢→晶间的偏聚使压力增大，奥氏体在应力的作用下→马氏体相变）和减弱内聚力机理（氢→晶间的偏聚使奥氏体内聚力减弱→奥氏体失稳→马氏体相变）来解说外，还与硫、汞有关，从66年分析我们自行设计的75KW无马弗罐振底炉电阻丝Cr20Ni80耐热钢底板炉灰的成分为硫化铁、氧化汞可以说明。

另外，采用燃油加热炉，如采用非精炼提纯的油，一旦含有有机硫、无机硫，同样会渗硫、渗氮，上海某厂处理的蒙乃K500 合金阀盖就出现此现象。

3.3我们曾于重庆XX锻造厂，接洽其它事情；该厂技术人员介绍采用天然气直接加热带来的能源节约1/2～1/3。“节能”我讲天然气中有：有机硫、无机硫、汞。你们不怕渗硫、渗汞服役寿命如何？回答为：反正是摩汽车配件，而不是飞机配件。回忆当年我在296厂主管我国95式5.8mm枪族材料：热处理及失效分析（*早为89式，该枪族是目前世界上*先进的轻武器）时就坚决主张采用工频、中频或电炉加热后再进行锻造（我一讲军代表大力支持）

  这个关卡一定要把好：我国自行设计的5.8mm自动步枪（要保证高温、低温、常温；也就是服役环境效应，打靶服役如初寿命（XXXXX发）该枪族是能在这个世界上处领先地位。（在研制过程中特别是低温寿命，经常在低温寿命XXXX发时，发生XX，XX零件的崩牙现象，有一次工厂某副总工主持分析会：某副总讲：这是我们自行设计的枪族，达不到XXXXX发寿命就改寿命为XXXX发，我讲要研究分析崩牙原因，暂不改。军代表非常高兴。*终完成为XXXXX发寿命就定型投产装配部队。

3.4淬火钢件的前处理：等温正火

等温正火设备：有些厂采用天然气直接加热，而不是采用辐射管的辐射加热，天然气同样不净化处理。不考虑未净化的天然气使工件除渗氢外，还渗氧、渗硫、渗汞。

等温正火处理，一般采用950℃，温度低效果差

等温正火：改善魏氏组织，原始晶粒均匀，应力状态，带状偏析，合金元素偏析，夹杂物形态；由条状变为断链椭园状，氢含量下降，夹杂引起的裂纹，对锻造引起的组织损伤或裂纹有愈合作用（俄文为焊合；合金元素多焊合时间增长）*终可获得良好的切削性，且畸度小，性能提高，（零件长期服役下的尺寸稳定性提高）。这种状态下的材料使以后从事表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象均有减缓作用。

重庆某厂为降低渗碳淬火件表面层非马氏体组织，我们与他们交流指出，采用天然气直接加热的天然气未经净化处理等温正火毛坯件一律不要；你们一定要把关。

3.5 天然气用作渗碳气时的环境效应

天然气另一渗碳机理CH₄→C_ad+H₂的充分发挥，使渗碳件淬火后的表面非马氏体组织大大降低（有效硬化层深0.8～1.2可达3μm以下（浅腐蚀）。株齿马学文发现齿轮有效硬化层1.6mm，非马5μm（浅腐蚀） 2011年5月北京三一重工（艾协林多用炉）姚东海首先发现：在风电、重载齿轮渗碳上有效硬化层深2.5～3mm，晶间氧化（不腐蚀）15～20μm。表面层质量处于世界领先地位（2011年8月重庆新兴通用丰东韩伯群总工也发现类似效果，见图2）。不但避免了古老的渗碳机理（CO→C_ad+CO₂）一边渗碳一边氧化的过程，使渗碳速度加快，提高11%，而且渗碳件表面光亮银灰色无碳黑^[2]（吸热式气氛发生器一般也不烧碳黑）、吸热式气氛中的触媒不易中毒（寿命大大提高）、氧碳头和炉底板寿命提高一倍以上，重庆机床厂使用24年净化效果还很好，艾协林设备从未大修，获得可观的经济效益。

天然气在含硫量低、水气量低的情况下能使渗碳机理CH₄→C_ad+H₂充分发挥，使渗碳件淬火后的表面非马氏体组织大大降低,如控制好的话，株齿马学文发现有效硬化层深0.8～1.2mm，其在3μm以下（浅腐蚀）。

另外,俄罗斯学者在研究天然气渗碳淬火中的氢脆问题时，发现H₂S出现在空穴中,MnS、NiS出现在空穴的表面层，服役寿命显著降低。为此引进他们的天然气放热式设备中,要求两次脱硫,硫含量低至0.5mg/m³以下。应指出硫的渗入会加速氢和氧的渗入，引起氢脆白点，还会造成渗碳过程中的腐蚀坑的形成。

图2 重庆新兴通用 17CrNiMo6风电齿轮在预抽真空多用炉上进行“2.5mm渗碳+淬火+回火”处理后，实测晶间氧化（不腐蚀）深度为16.52μm（美国企业标准≤40μm）  

3.6天然气用作原料气时的环境效应

Rx气发生器中Ni触媒剂，当采用未经净化的天然气作原料气时，往往易中毒有炭黑，炉膛内还有黄色粉状物（黄色粉状物是由硫化物、汞化物组成，在渗碳炉膛内发现黄色物质，附着在炉膛内壁粘得很牢，这就是硫化物和汞化物。（天然气中汞含量有的地区达到200多mg/m³ 以上，重庆地区汞含量一般在100 mg/m³以下）,见图3，使触媒效果下降，并使其成多孔状,发生体积膨胀，粘接松弛而碎化，寿命大大下降。

图3 国内某厂天然气未净化处理，渗碳炉炉膛内产生的黄色粘附物（炉灰，硫含量:0.1%,铁含量31.3%,汞未化验）   

通过上述的剖析，说明使用天然气时要注意净化去除S、Hg等不利成分，才能保证零件的质量和使用寿命。

4  丙烷气的净化：（脱除丙烷气中有机硫≤3mg/m³、无机硫≤1mg/m³、水≤-60℃、汞无、石油无，净化指标和净化剂服役寿命如天然气净化）

太重陈进磊和艾协林谢周贵2012年6月发现：工艺方法不变（氮+甲醇+丙烷气），丙烷净化后，有效硬化层深3.0晶界氧化（不腐蚀），*厚22.3μm，*低9.5μm，（美国企业标准≤40μm）表面质量处于世界领先地位。丙烷耗量节约30%。避免了多冲性能、疲劳性能下降，使持久服役性能大大提高，避免潜在的重大事故发生。 

图4（氮+甲醇+净化的丙烷气）工艺材料为17CrNiMo6 风电齿轮

5 加工过程中的环境效应

加工过程中往往会采用切削夜、磨削液、防锈液……采用的加工方法有车、铣、刨、磨、珩，甚至喷砂、喷丸等，这些均会对零件的质量、使用寿命有一定的影响。其失效分析可参见文献【4】。

6 使用中环境效应引起失效的典型实例分析

6.1 常温下氢脆断裂

在常温下氢气氛环境下，会出现氢脆断裂。氢脆断口主要是沿晶走向，有些钢晶界面上有撕裂棱或有细小的凹坑。氢可以促进断裂。典型的氢脆断口，呈冰糖状沿晶断口。晶间面比较光清，有细小的发纹线，随着试样由表及里，逐渐转变为沿晶十准解理的混合断口（图6）。在试样心部，则显示韧窝断口。氢脆断口随材料种类的不同而不同。在钢中明显地依赖于强度等级，一般对低强度等级材料来说，断裂是穿晶的。而对高强度等级的材料来说，则具有沿晶断裂的倾向。通常，热处理后的结构钢出现的氢脆断口为晶间断裂。

1976年M、M、ШBEд等^[3]在研究自然环境下38CrSi钢高强度螺栓（桥梁用的）的断裂时，指出断口分为4区域：  

图5 断裂的形貌分布区  

在低的变形速度下，试样出现沿截面不均匀的断裂特征，其与在钢中不均匀氢分布（氢的偏聚）以及裂纹成长速度的改变有关。随不均匀氢的分布（氢的偏聚）发展，渗人的氢浓集偏聚在表面,在表面层导致晶间减弱，并沿着晶间发展成裂纹。随着裂纹的延伸到试样的深度（Ⅱ区）氢浓度下降，包括在这个阶段裂纹的发展由于自滑移而减缓，并且遇到韧性区域，减慢在晶粒间断裂进程，*终达到大的长裂纹（Ⅳ区）。

6.2 空间环境下的失效

空间环境如航天，主要包括真空、低温、热循环、太阳电磁辐照、带电粒子辐照、原子氧、空间粉尘与空间碎片等环境因素；使用的材料有光学材料、太阳能电子材料、热控涂层材料、电子材料、天线材料、胶接密封材料、减磨耐磨材料、防热绝缘材料、结构材料、薄膜材料等。空间环境与常规环境不同，所采用的材料不同，其失效的形式、机制也不同,需加强空间环境与空间材料相互作用的基础理论研究，以及作用的损伤理论、性能演化理论、寿命预测理论与防护理论及技术的研讨。使用的材料必须经过太空的模仿空间实验室试验。

6.3 海洋环境下的失效

    在海洋环境下，材料在高湿度、腐蚀性气氛（盐份、海生物、深海的H₂S）、冲击（海浪）及一定压力下（随海洋深度的增加而加大）工作，会加速失效。为此需研究材料在海水环境效应下的特殊失效形式及寿命预测指标。并研究有关的防腐处理和防腐技术，如引进俄罗斯的舰艇用武器，对某些零件采用镀镉或渗锌处理。国内现将类似渗锌为主的一种金属防锈技术称达克罗处理。即先将零件浸入锌液然后进入300 ℃炉内，使锌铝进入钢件的内部提高防腐性能。

6.4 高温、低温环境下的失效及寿命考验

高温环境下需考核材料的蠕变强度、持久强度、耐高温性能；低温环境下需考核材料的低温脆性等。二战中：德国在莫斯科城下：天气-30℃下，德国坦克履带车辆、火炮、步枪枪栓机油凝固不能活动，同时不少机械零件-30℃以下发生低温脆断。而苏军生产了大量为严寒条件下作战的T-34型坦克。

6.5我有机会去某高强度螺栓上参观交流。他们采用大型网带炉连续线：五条.保护气采用高炉煤气，我同他们讲：煤气中有水、有机硫、无机硫、汞等。他们加热过程必然渗氢、渗硫、渗汞、渗氧。你们均不考虑用在汽车、摩托车上反正断了换一个。哪一天用在飞机上、桥梁工程上、核电设备上不出大事故？（重庆菜园坝长江大桥所使用的螺栓均为瑞士“喜利得”公司提供）

6.6江西XX高强度标准件厂使用我公司PAG淬火液两条生产线，采用甲醇做保护气，淬火液由碱性变成酸性：PH值由8-9下降到5左右。（我公司销售的甲醇净化设备在江西格特拉克已应用4年）

甲醇如图5、图6

图6   江西XX厂 甲醇呈黄色说明含有机硫和无机硫

图7 江西XX厂 甲醇沉淀物，有油感是有机硫

从图6的沉淀物看，不仅是有机硫（一般有机硫为漂浮状，手摸沾浮而且臭），而且有汞化物（因比重而沉淀）该甲醇是由天然气制造一般含总硫6mg/m³左右，有可能厂家将制造的甲醇又用来脱天然气中的有机硫、无机硫、汞、水。再销售于市场。

我们同他们讲：此高强度螺栓，绝不能销售航空、航天、高铁、飞机、核电等。因为该产品已渗氢、渗氧、渗硫、渗汞。氢于硫结合出不来的^[3]

7 对环境效应的几点认识

7.1重视认识环境效应的重要性

环境效应对零件生产使用极为重要，是保证零件使用(质量)的稳定性、可靠性、持久性的关键因素，是使零件在使用环境下获得满意的寿命。但目前国内搞生产的、搞设计的、搞采购的，有相当一部份人员缺少环境效应的“警悟”。

7.2利用好环境效应可取得高的经济效益。

   目前国内外对自然环境污染引起的不良效益，人们已有认识。而对工业产品生产改善环境后提高产品质量，获得直接的经济效益，还有待深化认识。例如有家用净化天然气设备的企业,不仅用气量下降20%、能源节约20%、生产效率提高11%，而且设备维修率大大降低。经济效益十分可观。一般9个月就能收回全部的设备投资费。重庆机床厂使用天然气净化设备已24年未更换净化剂，今年初检测净化效果很好，热处理设备从未大修只小修，那是几千万的设备，经济效益可观。

7.3“环境效应”认识上几个误区

  （1）市场上采购部门购买机械零件时：要求具备力学性能和低温Ak性能即可。而不了解该零件的使用状态和不同环境状态下的性能。

  （2）凡零件遇渗氢、渗硫、渗汞、渗氧等情况，对一般的力学性能反映不敏感。难以进一步了解寿命指标，需用一定能量下的多冲（小能量多次冲击）和慢拉伸强度来检验和作为考核指标。

  （3）需正确模拟在实际零件使用状态下的寿命试验。例如：自动步枪上的复进簧，采用喷丸强化处理，如丸粒崩裂引起复进簧划痕，会使寿命显著下降。

（4）目前市场上有各式各样的天然气净化设备。一定要注意净化那些，指标如何避免“忽悠”。还要注意净化剂的服役如初的寿命考核。例如：天然气加气站的“净化”设备是脱无机硫和水；有机硫、汞均未净化，而且脱无机硫是氧化铁等固态脱硫剂，脱硫指标不停下降，并出现肠梗阻，*后报废，又换脱硫剂，其危害性还未彻底解决。

8  结束语

（1） 环境效应贯穿于零件生产、使用全过程。

（2） 认识环境效应的重要性，克服认识上的几点误区。

（3） 控制好环境效应诸重要因素是保证零件质量稳定性、可靠性、持久性的关键因素，降低失效几率，使零件达到预期的寿命指标。

（4）注意使用天然气、丙烷、乙炔、氨气、甲醇、煤气、石油液化气等的环境效应，需采取脱有机硫、无机硫、脱水、脱汞、脱油的净化措施。

参考文献

[1]樊东黎.机械工程标准手册[M].热处理类.机械工程标准手册，2003（4）：264.

[2]李志义，马学文，蒲  玲，等.再述渗碳淬火件表面层非马氏体组织形成的原因和防止措施[J].齿轮传动，2001（6）：79-86.

[3]李志义.钢的氢脆和应力文化馆断裂译文集[M]. 重庆：中兵四川省第五机械工业局科技工业局科技情报中心站，1979.3.

[4] 李志义，李晓澎.渗碳淬火件磨削裂纹形成的原因和防止措施[J].国外金属热处理，2005，26（1）：46.