等離子拋丸滲氮層性能的影響因素研究

摘 要：通過正交試驗，科學驗證了影響滲速以及滲氮層硬度、耐蝕性的兩大因素為溫度以及是否進行拋丸處理，通過拋丸處理在加快滲速的同時有效地解決了離子滲氮清潔度要求高的問題。并對各個主要影響因素對滲氮層厚度、顯微硬度、耐蝕性的影響進行了進一步地研究：隨溫度升高，滲氮層厚度、顯微硬度降低，耐蝕性提高，綜合考慮530℃左右為N80鋼的最佳滲氮溫度；拋丸時間越長，滲氮層厚度越大，表面顯微硬度越大，耐蝕性先降低后增大，但拋丸時間過長，顯微硬度出現陡降，影響滲氮層性能，因而9min為N80鋼的最佳拋丸時間；氮氫比不同，爐內氣氛不同，活性氮原子量不同，造成滲氮層性能以及拋丸對滲氮效果產生影響。

關鍵詞：快速滲氮；拋丸；溫度；氮氫比；正交試驗

引言

目前深井開采對油管的質量提出了更高的要求，尤其是深井中CO2、H2S氣體的存在，使得油管腐蝕越來越嚴重。根據油管的各種表面處理技術及現場應用情況[1]，滲氮技術應用前景樂觀，但油管氮化對耐蝕性的重視程度不夠。

如何提高滲氮速度，一直是各個學者努力解決的問題之一。而且離子滲氮要求工件表面不能有銹跡、氧化皮等，達到離子滲氮表面處理要求是應用于現場的一大難題，而拋丸在很好地解決這一問題的同時可大大地提高滲速。對于拋丸等形變促滲技術，國內外研究相對較多：黃炳南等發現對于Fe-Ti（1.75% ）位錯運動可顯著加速合金的滲氮過程[2，3]；對低碳非合金鋼滲氮后的冷卻速度對屈服強度、斷裂強度有較大的影響，滲前預變形0-20%的影響則不大[4]；預拋丸可促進白亮層的形成，催滲作用在初期白亮層未形成時最為顯著[5，6]；C.Medrea等人采用溫軋之后再重新在550°C加熱不同的時間后滲氮發現可以提高心部的機械性能，同時延長其壽命[7]。

滲氮工藝參數對于滲層性能的影響不容忽視，但目前一直沒有對各工藝參數的影響程度進行科學地驗證分析。

1 試驗方法

本文選定石油套管用鋼N80為試驗用鋼，其化學成分為C：0.42，Si：0.4，Mn：1.5，P：0.011，S：0.012，Mo：0.2，Ni：0.03。樣加工成φ70mm×h5mm薄片，開3mm孔中心距邊緣2mm，以便裝爐懸掛；進行770℃油冷淬火，630℃回火亞溫調質處理；采用現場Q32系列履帶式拋丸清理機，拋丸材料為圓柱形鋼絲；采用LDMC-15A型多功能離子化學熱處理爐進行滲氮處理。根據標準以及文獻[8]普遍比較關注的滲氮因素有溫度T、氮氫比N2/H2、氣流總量L、壓力P，此外，也將拋丸時間的影響程度考慮在內，一共五個因素，每個因素均隨機選取兩水平，選用L8（27）正交試驗表如表1所示[9]。其中，在拋丸一欄中，“0”代表未拋丸，“1”代表拋丸，試驗號一欄中括號里的為實際隨機進行的試驗序號。

2 正交試驗結果分析

2.1 以滲氮層厚度為指標的正交試驗結果

1）各因素對滲氮層厚度的影響程度從大到小依次是：溫度、有無拋丸、流量、氮氫比、氣壓。第三列空列極差相比于其他各因素小很多，可確定測試參數以外的其他參數影響可以忽略。最后一個空列為待考察的另一工藝。

2）影響滲氮層厚度的最大因素是溫度，滲氮過程包括：① 生成活性氮原子；②活性原子吸附基體金屬表面；③滲層中的氮原子向基體金屬和滲層內擴散。滲氮層形成的大部分過程受擴散速度控制。考慮在510～550℃之間是否有一個最佳溫度。

3）影響滲氮層厚度的第二大因素為是否拋丸。拋丸明顯提高氮原子的滲入速率，使得滲氮層厚度有了明顯增加。拋丸試樣表面產生彈塑性變形，使金屬表層位錯密度提高，增加了氮的滲入擴散通道，同時如圖1所示拋丸表面變得凹凸不平，金屬表面的粗糙度增加，增大了表面吸附氮的面積，加速滲氮過程。但凹凸不平的表面也因離子特性增大了白亮層的不均勻性。

（a） 未拋丸滲氮的顯微組織圖 （b） 拋丸后滲氮的顯微組織圖

圖1 拋丸處理后滲氮效果顯微組織對照圖（X200）

2.2 以腐蝕電流密度為指標的正交試驗結果

據以腐蝕電流密度為指標的極差分析結果作正交試驗直觀趨勢分析圖2，可知：

1）影響試件耐蝕性最大的因素是氮氫比，且隨氮氫比的增大，腐蝕電流密度減小，即抗蝕性增大。

2）影響試件耐蝕性的第二大因素是是否拋丸。拋丸處理雖然使得表面凹凸不平，容易使液體積聚，引發腐蝕；但是拋丸利于氮原子的吸附、擴散，增加滲氮層的厚度，從而提高其耐蝕性。

3）影響試件耐蝕性第三大因素是溫度，隨滲氮溫度增大，腐蝕電流密度減小，耐蝕性增強。溫度降低，表面硬度有所上升，耐腐蝕性有所減少。XRD分析，其表面為γ’、ε兩相混合物，硬度越高，ε形成的可能性、含量就越多，兩相耐蝕性就越差。

4）從正交分析表中可以看出代表其他因素的空列對耐蝕性影響很小，則其他因素對耐蝕性的影響小，試驗結果可信度高。

3 溫度對滲速及滲氮層耐蝕性的影響

3.1 溫度對滲氮層厚度的影響

保證其他滲氮參數不變，測試滲氮溫度分別為510、530、550°C下工件的滲氮層厚度做出直觀折線圖3。

從圖3可知，滲氮層厚度隨溫度的升高而減小，很可能是因為離子氮化不同于一般氮化，氮化氣在電場的作用下被電離，高活性的等離子體與放電參數有關[10]，雖然溫度升高，高活性等離子體中活性粒子電場能越高[8]，但對滲氮總量影響不是太大，即總的活性氮原子基本固定，而活性氮原子不斷向內擴散，使硬度符合滲氮層的部分減小。據顯微硬度確定滲氮層厚度所得的結果會較小，還需進一步地研究。

3.2 溫度對滲氮層顯微硬度的影響

從顯微硬度曲線圖4可以清楚看到三種溫度下，溫度升高，表面的硬度減小，硬度變化更為平緩。應該是因為溫度升高，擴散系數增大，氮原子更易向內擴散，分布更均勻，表面硬度下降，驗證了猜想。

3.3 溫度對滲氮層耐蝕性的影響

三種溫度下腐蝕電流直觀圖如圖6所示，滲氮溫度越高，耐蝕性越好。但一般滲氮層越厚，耐蝕性越好，則應該與顯微硬度測得的滲氮層厚度偏小以及正交試驗的解釋有關，與猜想和正交試驗的結果吻合。

綜上溫度對滲氮層厚度、耐蝕性有非常大影響，硬度越高，一般耐磨性越好。綜合各指標，對于本論文研究的N80鋼，在試驗范圍內530℃為最佳滲氮溫度。

4 拋丸對滲速及滲氮層性能的影響

拋丸可顯著增加滲氮速度，拋丸對顯微硬度有極大影響，明顯增加了表面硬度。拋丸與未拋丸前0.22mm硬度下降平緩度基本相同，但0.22mm處拋丸出現一個明顯轉折，下降更陡，應該是拋丸的催滲作用僅限在表面變形層，并且其作用強度由表至里存在逐漸減弱的趨勢，勢必造成在表層催滲作用下迅速滲入的氮原子因內部擴散速率滯后而相對富集，導致擴散層在厚度增加的同時其固溶氮濃度或氮化物沉淀密度也相應提高。而超過變形層，促滲明顯減弱，氮原子不易向內擴散，導致硬度變化較陡。

5 氮氫比對滲速及滲氮層性能影響

本課題組針對氮氫比1：1、1：3、1：5對滲速、滲氮層耐蝕性、耐磨性影響進行正交試驗研究，結果顯示氮氫比1：5時耐蝕性最好，綜合性能指標最佳。據前期研究，對氮氫比1：5進行9、15min拋丸試驗。編號為PXNY，X、Y分別代表拋丸時間、氮氫比。滲氮層性能指標如表2所示。

5.1 氮氫比對滲氮層厚度影響

從表2可以看出：

1） 氮氫比3：1比1：5相同拋丸時間下的滲氮層厚度要大，后者拋丸9min滲氮厚度與前者不拋丸相同，與前期及文獻結論一致。

2）氮氫比3：1時，拋丸時間9min，再增加拋丸時間，滲氮層厚度基本不再增加，再增加拋丸時間，現實意義不大；氮氫比1：5時，拋丸時間繼續增加到15min時，滲氮層厚度繼續增加。則不同氮氫比，活性氮原子量不同，拋丸時間不同，組織所容納擴散的氮含量、速度不同，硬度分布也不相同，有不同最佳工藝。

5.2 氮氫比對滲氮層顯微硬度的影響

拋丸后，滲氮層表面硬度均較未拋丸大，且不同氮氫比，表面硬度基本相同，說明表面層吸氮量基本達到飽和。但是爐內氣氛不同，內外氮濃度差不同，對擴散影響不同，拋丸時間產生效果也不盡相同。氮氫比1：5相比于3：1爐內活性氮原子少，擴散動力減少，顯微硬度隨距離表面越大而減少的越多。氮氫比1：5、15min的拋丸處理并未出現氮氫比3：1、12min的過拋丸效果，由于氮氫比3：1爐內活性氮原子較多，12min的拋丸使其表面出現了氮原子極大集聚，不利于氮原子進一步滲入，拋丸表面促吸氮效應相比促擴散效應更大，引起硬度陡降。

5.3 氮氫比對滲氮層耐蝕性的影響

由表2結果，可看出P15N1：5滲氮層厚度大，但相比于P9N1：5耐蝕性反而下降，可能是出現過拋丸，表面過于凹凸不平，引起液體積聚，發生點蝕所致。P9N3：1耐蝕性不如前兩者，此特性與溫度類似，顯微硬度增大，耐蝕性反而降低，應該是由于此氮氫比范圍內，為γ'、ε兩相，當含氮量越高時，越促使ε相的生成，兩相耐蝕性不如單相。有待進一步研究。

綜上，不同氮氫比下，爐內氣氛不同，活性氮原子量不同，生成物質不同，對滲氮層厚度、硬度、耐蝕性均有較大影響，同時也造成拋丸后不同滲氮效果。

6 結論

本文對影響等離子拋丸滲氮速度及滲氮層性能的因素及影響程度給予理論驗證及分析，主要得出以下結論：

（1）溫度對滲速影響最大，隨溫度升高滲氮層厚度下降；表面顯微硬度隨溫度升高而降低；耐蝕性隨溫度升高而增大。

（2）拋丸可大大提高滲氮層厚度、顯微硬度。隨拋丸時間增長，滲氮層厚度、顯微硬度有所增加，耐蝕性先減小后增大；在9min以內，隨著拋丸時間的增長，顯微硬度會增加，而拋丸時間再增長時，顯微硬度出現陡降，影響滲氮層性能，因而9min為最佳拋丸時間。

（3）氮氫比不同，爐內活性氮原子數不同，對耐蝕性影響最大。氮氫比不同會造成拋丸對滲氮產生不同效果。

綜上所述，對N80鋼滲氮而言，在測試范圍內，最佳滲氮溫度為530℃，最佳拋丸時間為9min。

參考文獻

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