鹽浴軟氮化工藝在燃?xì)廨啓C(jī)零件上的應(yīng)用

張 進(jìn)，宋 帆，丁麗鋒

（上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240）

近年來(lái)，隨著汽車(chē)行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)的飛速發(fā)展，一種鹽浴軟氮化工藝也迅速發(fā)展起來(lái)。同氣體氮化、離子氮化相比，該工藝有自己的優(yōu)勢(shì)，如時(shí)間短、成本低、氮化層均勻、氮化后不需磨削加工，可直接進(jìn)行裝配等。特別是對(duì)只需要局部區(qū)域氮化的零件，鹽浴軟氮化有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。上海汽輪機(jī)廠從西門(mén)子引進(jìn)的E 級(jí)、F 級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)中的許多馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和合金鋼零件都采用了鹽浴軟氮化表面處理。本文對(duì)這些材料進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，并對(duì)氮化層性能以及生產(chǎn)中碰到的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)，為今后燃機(jī)零件的表面處理、加工及裝配提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

根據(jù)產(chǎn)品的需要，選用了4種有代表性的材料 25Cr2MoVA、2Cr13、2Cr12MoV 和X8CrNiNb16－13，軟氮化前X8CrNiNb16－13經(jīng)固溶處理，其它3種材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，熱處理后加工成Φ8／Φ10×150mm 的圓棒試樣，表面粗糙度Ra≤1.6μm。

試樣在井式鹽浴爐中進(jìn)行軟氮化處理，氮化完畢后，通過(guò)性能和微觀組織分析，從而找到最合適的工藝參數(shù)，為產(chǎn)品生產(chǎn)做準(zhǔn)備。我們選取的軟氮化溫度分別為530±5℃、565±5℃、590±5℃，時(shí)間為90～240min，試樣軟氮化工藝流程如下：氮化前檢驗(yàn)→脫脂→表面清洗→預(yù)熱→鹽浴軟氮化→冷卻→清洗。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鹽浴軟氮化工藝參數(shù)對(duì)氮化深度的影響

圖1為25Cr2MoVA 鋼在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行鹽浴軟氮化后的顯微組織，可以看出，在相同的氮化時(shí)間內(nèi)，隨著氮化溫度從530 ℃提高到590℃，化合物層（白亮層）的厚度隨之增加；但590℃鹽浴的試樣保溫150min后，表面粗糙度變差；在565℃的溫度下氮化，隨著氮化時(shí)間的延長(zhǎng)，化合物層（白亮層）的厚度增加。通過(guò)氮化形貌可看出，氮化層的厚度均勻、一致。根據(jù)文獻(xiàn)［1］，若溫度過(guò)低，鹽浴的活性和流動(dòng)性變差；若溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致滲速過(guò)快，產(chǎn)生的滲氮層不致密，影響工件的表面粗糙度，而且高溫會(huì)加速氮化熔鹽的老化。因此綜合考慮各種因素，本試驗(yàn)鹽浴溫度控制在565℃左右，可獲得合適的滲速，且能縮短氮化時(shí)間，便于組織生產(chǎn)。

圖1 25Cr2MoVA 在不同溫度和時(shí)間軟氮化后的顯微組織（腐蝕后，×400，（a）、（b）、

2.2 不同材料的氮化層厚度

為了研究氮化層的脆性情況，按照GB／T11354－2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》測(cè)試，脆性為1級(jí)（見(jiàn)圖2），壓痕邊角規(guī)整。與常規(guī)氣體氮化不同，鹽浴軟氮化后在表面上形成了以Fe（2－3）N為主的ε相［2］氮化層，它幾乎沒(méi)有脆性，使零件的表層獲得耐磨、抗咬合、耐蝕和抗疲勞等優(yōu)良特性，因此零件氮化后可以不需磨削加工，直接裝配使用。

采用金相法和硬度法測(cè)量了其滲層深度（取比基體維氏硬度高50HV 處的垂直距離作為滲氮層深度），結(jié)果見(jiàn)表1，為了便于區(qū)分，將化合物層與基體之間的過(guò)渡區(qū)稱為擴(kuò)散層，總滲層為化合物層深度和擴(kuò)散層深度之和。可以看出，低合金鋼獲得的總滲層最深，且過(guò)渡層也較深，比較容易氮化。

圖2 2Cr12MoV 和X18CrNiNb16－13材料軟氮化后的氮化層厚度測(cè)試

表1 不同材料軟氮化后的滲層硬度對(duì)比（HV0.1） 單位：μm

2.3 不同材料的氮化層硬度

我們研究了 25Cr2MoV、2Cr13、X8CrNiNb16－13三種材料鹽浴軟氮化后硬度變化情況，結(jié)果見(jiàn)表2 和圖3。材料的軟氮化工藝為565℃×90min。對(duì)比可以看出，鹽浴軟氮化對(duì)低合金鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼均可行，對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)。特別是對(duì)于奧氏體不銹鋼，氮化后可以顯著提高材料的表面硬度。

表2 不同材料軟氮化后的滲層硬度梯度測(cè)試數(shù)據(jù)（HV0.1） 單位：μm

圖3 25Cr2MoVA、2Cr13和X18CrNiNb16－13材料氮化層硬度比較

2.4 鹽浴軟氮化后的變形

在我廠燃機(jī)零件的實(shí)際生產(chǎn)中，有一些墊片、鎖環(huán)、板及圓筒類(lèi)的零件需要進(jìn)行鹽浴軟氮化，這些零件形狀各異，尺寸從10～1 000mm 不等，其中有些零件有很高的加工以及裝配精度要求，因此我們研究了不同零件軟氮化前后的尺寸變化情況。

選取了有代表性的材料和工藝，測(cè)量了試樣軟氮化前后的尺寸，每個(gè)試樣測(cè)試3次取平均值，結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)比可以看出，隨著氮化時(shí)間從90 min到240min，試樣外圓直徑尺寸有所增加，但變化值都很小，基本處于零件圖樣規(guī)定的公差范圍內(nèi)（0.1mm 以下）。其中2Cr12MoV 材料數(shù)據(jù)為本廠圓筒形零件經(jīng)局部鹽浴軟氮化后測(cè)試的結(jié)果，單面膨脹量在30μm 以內(nèi)（設(shè)計(jì)要求圓環(huán)壁厚14.4－0.2mm），遠(yuǎn)小于零件規(guī)定的公差極值。

表3 不同材料軟氮化后尺寸數(shù)據(jù)測(cè)試值

雖然鹽浴軟氮化造成的變形很小，但是對(duì)于一些有緊密配合和較高公差要求的零件，仍需注意氮化后的變形問(wèn)題。例如某燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)軸承座中的墊片（見(jiàn)圖4），材料為X8CrNiNb16－13，尺寸為224×100×10mm，設(shè)計(jì)要求上、下表面裝配時(shí)的平面度≤20μm，試生產(chǎn)時(shí)加工了6塊墊片，鹽浴軟氮化后變形超差達(dá)60～100μm，經(jīng)返修后仍然超差。經(jīng)分析，變形原因是由于材料為奧氏體不銹鋼，固溶后的硬度只有130HV，零件比較薄，剛性不足，機(jī)加工后零件內(nèi)部產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，在鹽浴軟氮化后應(yīng)力釋放，造成零件變形。

圖4 X8CrNiNb16－13墊片的尺寸測(cè)量

為了解決變形超差的問(wèn)題，對(duì)工藝進(jìn)行了調(diào)整，將除應(yīng)力處理前保留的加工余量減小，同時(shí)提高除應(yīng)力的溫度，使零件因加工產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力消除得更徹底；其次改進(jìn)機(jī)加工工藝，工件在銑削完表面后，上下表面反復(fù)多次磨削加工，控制平面度，鹽浴軟氮化后再次測(cè)量變形量，最終結(jié)果滿足了設(shè)計(jì)要求。

2.5 氮化零件的耐腐蝕性

燃機(jī)中軟氮化的零件工作在一定壓力的和濕度的蒸汽環(huán)境中，要求有一定的耐腐蝕性能。為此，我們對(duì)鹽浴軟氮化前后的材料進(jìn)行了腐蝕性能測(cè)試，試驗(yàn)按照ASTM B117－2009鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。圖5 為25Cr2MoVA 鋼經(jīng)72h 中性鹽霧試驗(yàn)后的圖片，可以看出氮化后的試樣未出現(xiàn)銹跡，未氮化試樣則出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于合金鋼零件，經(jīng)過(guò)鹽浴軟氮化后，表面形成的氮化層可提高材料的耐腐蝕性。

表4 25Cr2MoVA 軟氮化前后的鹽霧腐蝕性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過(guò)一系列工藝試驗(yàn)和對(duì)比測(cè)試分析，獲得了4種材料鹽浴軟氮化的最佳工藝參數(shù)：鹽浴溫度565℃左右，保溫時(shí)間2～3h。通過(guò)鹽浴軟氮化前后的尺寸測(cè)量，證明了零件軟氮化后尺寸變化很小，對(duì)于加工精度要求高的零件，可通過(guò)氮化前的機(jī)加工和熱處理工藝進(jìn)行殘余應(yīng)力控制，從而減小氮化后的變形。

本文對(duì)比了馬氏體耐熱不銹鋼、奧氏體不銹鋼和低合金鋼材料的鹽浴軟氮化層的性能，積累了氮化層的部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為今后類(lèi)似材料的加工、鹽浴軟氮化、檢驗(yàn)及裝配提供參考。

［1］潘健生，胡明娟.熱處理工藝學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］王忠誠(chéng)，王東，李揚(yáng).內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)的新型液體軟氮化鹽?。跩］.熱處理技術(shù)與裝備，2011，32（3）：46－51.