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| 0Cr11Ni2MoVNb钢辉光离子氮化工艺 |
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0Cr11Ni2MoVNb 钢是一种新型马氏体热轧不锈钢，是一类可以通过热处理对其性能进行调整的不锈钢，可以用来制造在较高温度下工作的零件。为了强化合金的表面层，提高它的耐磨性与在还原介质中的耐腐蚀性，采用渗氮技术是有效的途径。0Cr11Ni2MoVNb在组织与常规力学性能上与常用的1Cr11Ni2W2MoV很接近，但焊接性能比1Cr11Ni2W2MoV好。该材料含有多种强氮化物形成元素（Cr、Mo、V、Nb），这些元素一方面增加材料表面吸收活性氮原子的能力，另一方面又强烈降低氮在金属中的扩散系数，并且这些合金元素的氧化膜也会阻碍零件对氮的吸收。燃气轮机的支承轴承座零件采用该材质制造，局部表面渗氮，要求渗氮层厚度为0.4~0.6mm，国内尚无该材料的渗氮数据，与其成分相近的1Cr11Ni2W2MoV材料经过580℃×35h气体渗氮处理后，渗层深度只能达到0.26~0.3mm。因此，试验前推测该材料不容易氮化。因此，如何使渗氮层达到规定厚度是本试验首先要解决的问题。1.试验（1）材料试验所用料0Cr11Ni2MoVNb钢是由宝钢集团上海五钢提供,其化学成分见表1。试验所用的离子渗氮防渗涂料为AN600P。表1 0Cr11Ni2MoVNb成分（质量分数）（%）元素CCrNiMoVNb含量0.05~0.0910.5~12.01.4~1.800.35~0.500.15~0.250.05~0.15元素SiMnSPCuFe含量≤0.60≤0.60≤0.020≤0.030≤0.30余（2）渗氮前处理试样渗氮前经调质处理，调质制度为：淬火1030℃×90~110min，油冷+回火650℃×120~140min，空冷。（3）试样加工将试样加工为25mm×20mm×15mm的长方体，并加工出截面为6mm×6.5mm的凹型槽（见图1），以便检验零件特殊结构处的渗氮效果。（4）渗氮方法离子渗氮比气体渗氮易于局部保护，而且由于阴极溅射效应具有自动去除表面钝化膜和不易形成脆性白亮层的优点。鉴于以上原因，采用LD-200型离子渗氮炉进行离子渗氮试验。渗氮工艺方案见表2。表2试验方案方案温度/℃时间/h氨气流量/L·min-1电压/V电流/A1580601.0700702580600.8700703580601.0700504590601.0600605610601.065065（5）试验设备调质处理在型号П-122热处理炉中进行。渗氮试验在型号为LD-200辉光离子渗氮炉中进行。借助MEF4A光学硬度计分析试样的心部及渗氮层的金相组织。用HV21000 型显微硬度计测量离子渗氮试样的表面硬度。用布氏硬度计测量试样的心部硬度。2.试验结果与分析（1）离子渗氮的特点及原理辉光离子氮化工艺是一种先进的表面化学热处理工艺，与常规的渗氮工艺相比，具有如下优点：①渗氮速度快，可适当缩短渗氮周期。②渗氮层脆性小。③可节约能源和氨的消耗量。④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮。⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜。⑥渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮能有效提高钢铁等金属零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性及抗烧伤性等性能，在现代制造业中得到了广泛应用。离子渗氮时，工件置于阴极盘上，炉壁为阳极，在阴阳极之间加以数百伏直流／脉冲偏压，炉内低压氮氢气体被电离，在电场的作用下以较大的能量轰击工件表面，产生大量的热量把工件加热到一定的温度，同时放电产生的活性氮在工件表面发生吸附、化合、扩散的物理化学反应，获得一定深度的改性层。（2）试样调质后的组织入厂材料为热轧棒材，组织如图2所示，表明该材料空冷就可获得含有马氏体的组织，此时硬度为HB（d）3.5；经1030℃×90~110min，油冷淬火后，组织如图3所示，从组织图片上可以看出为淬火马氏体，此时硬度为HB（d）3.2；再经回火650℃×120~140min，空冷处理后，金相组织如图4所示，按HB5022-94标准判定其心部组织为2级索氏体，硬度为HB（d）3.5，组织很适合于氮化处理。（3）渗氮层的硬度及组织试样外凸表面离子渗氮试验结果如表3所示，试样凹型槽表面离子渗氮试验结果表4所示，通过数据可以看出在渗氮温度、时间及电压一定的情况下，通过调整渗氮的氨气流量、电流，可获得不同深度的渗氮层，氨气流量和电流越大，渗层深度越深。渗氮时间和氨气流量相同的情况下，随着渗氮温度、电压、电流的不同都对渗层的深度有影响。1号和5号试验方案满足零件设计要求的渗氮层深度，5号工艺的渗氮层组织级别好于1号试验方案。5号试验方案的渗氮后渗层及心部金相组织见图5、图6。钢经离子渗氮后，渗氮层一般由化合物层和扩散层两部分组成，但随着渗氮工艺和待渗钢本身的结构性能的不同也可以获得只含扩散层的结构。试样在渗氮前基体主要由索氏体组成，并伴有少量的残余奥氏体相和铁素体颗粒。试样在经过610℃×60h渗氮后，渗氮组织细小，基本形貌与渗氮前相比变化不大，其组织为氮化索氏体，渗氮组织满足HB5022的要求。表3试样外凸表面离子渗氮试验结果试验方案氮化层深度/mm氮化层硬度HV（kg/mm2）氮化层脆性级别/级氮化层组织级别/级心部组织级别/级心部硬度HB（d）10.45～0.55672～75214～623.520.33～0.37702～7881223.530.37～0.43735～8271323.540.37～0.4770～7881123.550.60670～7301423.5表4试样凹型槽表面离子渗氮试验结果试验方案氮化层深度/mm氮化层硬度H（kg/mm2）氮化层脆性级别/级氮化层组织级别/级心部组织级别/级心部硬度HB（d）10.45672～78811～223.520.28～0.32702～7881223.530.22～0.33752～86911～223.540.3～0.4735～7521123.550.42650～6801123.5（4）AN600P离子渗氮防渗涂料效果的检验据资料介绍，AN600P离子渗氮防渗涂料是单组份水性环保配方，不影响炉内真空度及渗氮气氛，渗氮时不打弧，适用于钢铁零件在400~800℃离子渗氮时的局部防渗，可解决无法或不便采用机械屏蔽进行防渗的各类复杂型腔及大面积表面的防渗难题。该涂料为浅灰绿色胶液，使用时先搅拌均匀，涂覆于清洁、除油、干燥的试样表面，待变硬烘干后零件即可进炉氮化。渗氮冷却后，涂层自然粉化，可用抹布擦去。防渗面呈银灰色，有金属光泽。涂覆面氮化前的成分如表5所示，氮化后的成分如表6所示，这说明涂覆面的成分在氮化前后基本不变。试样氮化前，涂覆面的硬度为294~321HV；试样氮化后，涂覆面的硬度为296~329HV；而未涂覆面的硬度为650HV以上。根据以上所述，可认为AN600P离子渗氮防渗涂料的防渗效果良好，不影响涂覆面的成分和性能，并且使用简便，渗氮后易于清除。表5涂覆面氮化前的成分（质量分数）（%）元素CrNiMoVWTiAlNbSiMnFe含量11.301.400.000.200.000.000.000.340.400.6085.21表6涂覆面氮化后的成分（质量分数）（%）元素CrNiMoVWTiAlNbSiMnFe含量11.641.790.000.330.000.000.000.000.000.7085.533.结语（1）0Cr11Ni2MoVNb渗氮前的调质处理可采用“淬火：1030℃，油冷；回火：650℃，空冷，调质后的组织满足离子渗氮的要求。（2）0Cr11Ni2MoVNb钢离子渗氮温度为580~610℃，通过调整渗氮的氨气流量、电压、电流，可获得不同深度的渗氮层，满足不同的设计需求。（3）AN600P离子渗氮防渗涂料的防渗效果良好，不影响涂覆面的成分和性能，并且使用简便，渗氮后易于清除。
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