馬氏體不銹鋼氣體氮化工藝探究

摘要：該文對馬氏體不銹鋼氣體氮化去鈍化膜進行探討，分析了采用CCl4去鈍化膜的可行性，并用試驗方法確定CCl4的加入量；CCl4用量一般控制在156 ml/m3左右。

關鍵詞：馬氏體不銹鋼 氣體氮化 氧化膜 CCl4

中圖分類號：TG156.82 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（b）-00-02

滲氮用鋼一般采用W（c）=0.15%～0.45%的普通合金結構鋼，只有在腐蝕性較強的介質中工作，且要求高耐磨性、高強度和韌性時，才采用各類不銹鋼。該公司主要生產各類工業汽輪機，工況服役條件相當惡劣，對零部件提出了很高要求。因此，汽輪機里相當一部分零件如閥桿、閥碟、偏心銷等都采用馬氏體不銹鋼再進行表面氮化處理。采用馬氏體不銹鋼的主要目的是：一方面利用此類不銹鋼的高溫耐腐蝕性；另一方面通過表面滲氮來提高工件表面的耐磨性。

1 工藝分析

(1）馬氏體不銹鋼預處理為調質處理：2Cr12 moV-5，1020 ℃ 2～3 h淬油，720 ℃ 5～6 ℃空冷，獲得回火索氏體組織；2Cr13-5，970 ℃ 2～3 h淬油，670 ℃ 5～6 ℃空冷，獲得回火索氏體組織；滿足滲氮工藝要求。

(2）非滲氮區的防滲。采用KS-2防滲氮涂料，厚度大于0.2 mm，可反復涂1～2次。

(3）消除鈍化膜。馬氏體不銹鋼表面的鉻離子與空氣中的氧氣作用會在較短的時間內形成一種薄膜（Cr2O3），這種薄膜會阻礙氮原子的滲入。通常消除鈍化膜有下列幾種方法。

噴砂處理：用細沙將零件表面拋光去除鈍化膜，該種方法缺點，需要專門的噴砂機，既要占用場地，而且對車間環境影響很大，而噴砂時由于金屬表面被沙子打掉，因而使零件的直徑或厚度減少0.03～0.04 mm影響零件的精度，另外必須嚴格限制去鈍化膜處理后零件在空氣中的停留時間，以免重新生成氧化膜[1]，故該方法不佳。

酸洗去除氧化膜法：酸洗法主要有磷酸法、鉻酸法、鹽酸法等，利用酸與工件表面的鈍化膜發生化學反應，從而活化工件表面，該種方法的缺點對一些較大或較長的工件操作很困難，而且采用該種方法處理后，零件表面經常有斑點，氮化層硬度也不均勻，究其原因該種方法對零件清洗要求高，油污造成鈍化膜去除不干凈，另一方面原因在于酸洗后到裝爐、排空這2～3 h內，試樣不可避免地要與空氣接觸，特別是通入的氨多少含有水份，必然在其表面生產新的氧化膜，阻礙氮原子的滲入[2]。

CCl4或NH4Cl還原法：試驗選用CCl4 還原氧化膜，原因CCl4滴加方便而且CCl4含有4各Cl原子去鈍化膜效果好，其原理將CCl4在爐溫升到300 ℃后緩緩滴入爐內，由于CCl4易揮發，很快吸附在工件表面，同工件表面的氧化膜發生反應，經過1～1.5 h化學處理后，工件表面的氧化膜全部破壞，反應式如下：3CCl4+2Cr2O3=4CrCl3+3CO2

當零件表面生成CrCl3時，又在450～550 ℃和通入的NH3反應，反應式如下：

CrCl3+NH3=CrN+3 hCl

這里產生的HCl一部分被帶出爐外，其余的又與氧化膜反應，從而活化表面，排除了再度形成氧化膜的可能性。反應式如下：Cr2O3+6 hCl=2CrCl3+3 h20

順便指出一部分帶出爐外的HCl與NH3在排氣管中化合成NH4Cl，而管道的溫度低于氯化氨的分解溫度300 ℃，所以排氣管很容易為氯化氨的粉末結晶所堵塞，必須經常清除。針對排氣管堵塞情況，一方面我們對排氣管進行改造，加大了排氣管的直徑；另一方面嚴格控制CCl4的用量，合理選擇CCl4用量是本試驗的重點。

2 試驗材料和方法

2Cr12 moV與2Cr13鋼的化學成分符合GB/T 8732-2010《汽輪機葉片用鋼》要求。化學成分實測見表1。

試驗鋼先采用調質的預先熱處理。氣體滲氮設備：RM-90-6KM型井式氣體滲氮爐，爐膛尺寸φ800 mm×1800 mm；試樣尺寸10×10×50;為滿足圖紙對深層、硬度、脆性等的要求，確定符合工藝要求的滲氮參數，制定工藝如下。

①趕氣：升溫到200 ℃等溫0.5 h，通氨氣保持爐內正壓；②去膜：升溫到300 ℃緩慢滴入CCl4，去除材料表面的鈍化膜；③滲氮：升溫到570 ℃保溫，第一階段氨分解率a=30%～35%保溫15 h，第二階段氨分解率a=40%～60%保溫20 h;④退氮：升溫到590 ℃氨分解率a≥90%保溫2 h，爐冷至250 ℃以下出爐空冷。

CCl4的用量受爐腔大小的影響，根據有關資料介紹NH4Cl用量一般控制在46～700 g/m3差距很大，缺乏實際應用價值[4]，我們選取中間段200～500 g/m3，換算成CCl4用量大約控制在90～225 ml/m3，我們根據實際爐膛的體積，選擇CCl4的用量如下表進行試驗，見表2。

3 試驗結果與分析

不同CCl4用量試驗結果見表3。

由表3中試驗結果看，第一次試驗CCl4用量80 ml明顯不足，去鈍化膜效果差，造成零件層深不均勻，硬度不均勻；第二次與第三次試驗結果都為合格，但隨著CCl4用量的增加零件層深略有增加但零件表面的硬度反而下降。

CCl4滴入后與爐氣反應產生HCl氣體，HCl氣體可活化表面，通過中間產物的作用，變氨分子分解產生氮原子的固溶吸收為氨分子直接吸收，使表面更迅速地建立起高氮濃度的平衡，增加氮濃度梯度，有利于氮原子向內層擴散，隨著CCl4滴入量的增加HCl氣體含量增加，這樣使得零件的層深增加；另一方面HCl氣體在活化零件表面同時，隨著CCl4滴入量的增加HCl氣體含量增加，使零件表面產生了一層很薄的疏松層，對第三次試驗試樣金相分析表層出現0.01～0.03 mm的腐蝕層，從而使得硬度比第二次試驗有所下降。

我們公司的氣體氮化零件在氮化前對氮化表面都留有0.04～0.05 mm的精磨余量，所以第三次試驗的結果也完全符合工藝要求。試驗結果顯示，CCl4用量控制在140 ml（即156 ml/m3）左右是理

想的。

4 結語

馬氏體不銹鋼氣體氮化時，可以將CCl4在爐溫升到300 ℃后緩緩滴入爐內，同工件表面的氧化膜發生反應，經過1～1.5 h化學處理后，使工件表面的氧化膜全部破壞。CCl4用量一般控制在156 ml/m3

左右。

參考文獻

[1]安運錚.熱處理工藝學[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2]云紅.不銹鋼氣體氮化的難點及其解決方法[J].機械研究與應用，2003，16.