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柱塞和阀座循环抛光硫氮碳共渗 |
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作者：重庆时代热处理研究所 白滨 雷希孔 |
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摘要：介绍了00Cr25Ni6Mo2N双相（A＋F）钢制甲铵泵柱塞与阀座，经过循环抛光硫氮碳共渗处理，渗层深度为（90～100）μm，显微硬度为（680～920）HV0．05。经装机试验，寿命达到1年。比进口镀铬件提高1倍，比国产耐蚀钢镀铬件提高3～6倍。此产品可以代替进口柱塞和阀座类耐蚀耐磨件，此工艺可以代替镀铬工艺。
关键词：柱塞阀座 00Cr25Ni6Mo2N双相钢 硫氮碳共渗 循环抛光
1 前言
甲铵泵是尿素生产装置中的关键设备之一，过去都是从国外进口。四川某化工厂为了使进口设备的备件国产化，于1990年委托重庆长江变速器厂研制00Cr25Ni6Mo2N双相钢柱塞和阀座，代替进口件。甲铵泵的工作介质是氨基甲酸铵液或液氨，腐蚀性较强。引进的柱塞和阀座表面镀铬，以满足耐腐蚀性的要求。甲铵泵柱塞在介质中每分钟往复运动70次，进口压力0.1MPa，出口压力为22MPa。经化学热处理获得耐蚀耐磨的表面，以保障其性能。该厂经过多次试验，研制成功00Cr25Ni6Mo2N双相钢循环抛光硫氮碳共渗的柱塞和阀座，代替了进口件，每年节省可观的外汇。
2 试验设备与工艺
2.1 试验设备
试验设备为RX2-45-12型高温箱式炉、45kW不锈钢坩锅井式加热炉等。高温箱式炉用于固溶处理，坩锅井式炉用于SNC共渗。盐浴介质为SNC共渗基盐（J-1）、再生盐（Z-1）、氧化盐（Y-1）等。新盐浴的配制，将J-1新盐加入不锈钢坩锅中，通电升温并启动抽风装置。固体盐逐渐熔为液体，需不断填加新盐，达到需要的液面高度，使其完全熔化。在（590～600）℃空载保温3h，取样分析盐浴成分。调整氰酸根CNO－浓度为（34～40）％。若低于下限时加入Z-1再生盐，直到CNO－浓度至合格范围。然后放入工件进行SNC共渗。盐浴在使用过程中，由于液体盐面挥发和出炉工件粘附损失，液面要降低，必须加入适量的基盐和再生盐，以保证表面处理质量。经常使用的盐浴成分会变化，CNO－浓度要降低，必须每星期分析一次。必要时抽查氰根CN－、硫离子S2－和碳酸根离子CO2－3。使其符合CN－＜0.1％、S2－＝（10～40）×10－6、CO2－3＝（10～18）％的要求。虽然共渗盐浴中，化学反应生成的S、N、C原子会渗入工件表面，但是为了保证硫原子的含量稳定，通常每周在调整盐浴成分时，按每100kg盐浴填加2.5kg的K2S。
2.2 工艺过程
2.2.1 预先热处理
将00Cr25Ni6Mo2N钢柱塞与阀座的坯件进行（1000～1050）℃×3h固溶→水冷至室温→（560～600）℃×1．5h时效→空冷。该钢种为（A＋F）双相不锈钢，固溶处理使奥氏体逐步长入铁素体，合金元素及碳在α、γ相间重新分配，最后α相消失，γ相进一步均匀化。时效使钢材沉淀析出高密度合金化合物，增大弥散度，获得较高的强度。
2.2.2 SNC共渗
固溶时效的坯件，经机加工成柱塞与阀座，在共渗前除油、除锈、装卡和烘干，然后装入SNC共渗盐浴中，进行共渗处理。循环抛光SNC共渗工艺曲线见图1。
图1 循环抛光SNC共渗工艺曲线
2.2.3 抛光
柱塞或阀座完成第Ⅰ次SNC共渗后，出炉水冷，然后进行机械抛光或研磨。去除表面盐渍和粗糙多孔的氧化物、硫化物显微层，使表面更加光洁。再放回共渗浴炉，进行第Ⅱ次循环共渗。
2.3 技术要求和检验
进口的柱塞和阀座，图纸要求材料用耐腐蚀不锈钢，硬度（38～40）HRC、表面镀铬处理。国产化柱塞与阀座，材质选用00Cr25Ni6Mo2N双相不锈钢，固溶时效强化后，进行表面循环抛光SNC共渗处理。渗层深度≥（70～90）μm（化合物层＋弥散析出层），渗层表面硬度≥（380～400）HV，表面呈均匀黑色、无盐渍、碰伤和划痕。渗层深度和硬度检查，在试样出炉空冷、清洗、磨制后，经3％硝酸酒精腐蚀，用金相显微镜测量层深，用显微硬度计测定表面硬度。
3 试验结果与分析
3.1 SNC共渗层
00Cr25Ni6Mo2N双相钢，循环抛光SNC共渗处理的多炉试样检验结果，渗层深度（90～100）μm，渗层硬度（680～920）HV0．05，金相结构自表至里为白亮化合物层（由Fe3O4、FeS、Fe2-3（N．C）和Fe4N构成）、弥散析出层（Fe4N-γ?）。工件在盐浴介质中，S、N、C 3种原子同时渗入表面。S的渗入速度小于N、C，几乎不溶于α-Fe和γ-Fe，只能形成化合物FeS，存在于工件最表面层。N、C原子和Fe原子都能形成间隙固溶体与化合物，很容易被工件表面吸收并向内部扩散。吸收在表层的N、C原子首先形成化合物Fe2-3（N、C）-ε相，在工件缓慢冷却时，从ε相中析出Fe4N-γ’相，形成弥散析出层。在SNC共渗中形成的氮化物白亮层，因为含碳故不脆。又因这种氮碳化合物分布在嵌镶块的边界上，阻碍滑移，使得渗层具有高硬度高耐磨性［1，2］。循环共渗改善工件表面的化学热渗入，加速扩散过程，能获得一般共渗处理得不到的层深与性能［3］。
3.2 柱塞与阀座装机试验结果
其结果见表1。
表1 循环抛光SNC共渗处理柱塞与阀座装机试验结果
说明：表上数据由使用单位提供，各厂资料运转时间单位不同（有年、月、天、时），
本表统一运转时间单位用“天”。表面处理中A为镀Cr，B为循环抛光SNC共渗处理
3.3 结果分析
试验的柱塞和阀座材料为奥氏体型或奥氏体＋铁素体型不锈钢，表面处理之前经固溶时效处理。由于处理工艺不同，其结果和损坏形式也不相同。表面镀铬的柱塞与阀座，运转时间为（62～180）天；循环抛光SNC共渗的运转时间为（265～361）天；一般SNC共渗的运转时间为184天；表面未进行化学处理的运转时间为20天，表面磨损2mm，不能再使用。因为这些工件是在腐蚀性极强的液氨或氨基甲酸铵液中运转。未经表面处理的表面，直接受介质的侵蚀，在表面缺陷处形成腐蚀源，促使磨损加剧，造成过早失效。因为电镀工艺参数，不易精确控制，镀铬层往往颗粒粗大，造成镀层与基体的结合力差，导至镀层脱落。有时在镀铬层还存有穿透性小针孔，使腐蚀液渗入针孔腐蚀镀层和基体的结合面，使其结合强度降低，在往复运动中受高压脉动液压力的作用，使镀层剥落。形成柱塞与阀座密封面腐蚀和镀铬层剥落性损坏。因此，要求耐蚀、耐磨性能较高的柱塞和阀座类工件，尽量不采用镀铬工艺。目前国内研制成功的00Cr25Ni6Mo2N双相不锈钢柱塞和阀座，经循环抛光SNC共渗处理，可以代替同类进口产品，该技术也能代替同类产品的表面镀铬工艺。
循环抛光SNC共渗工艺参数中温度对共渗层的硬度和深度起着决定性的作用，共渗件在500℃时，氮化物的弥散度最大，尺寸小，表层硬度高，但是渗层浅。为了提高渗层深度，可以提高共渗温度。温度越高氮化物的弥散度越小，硬度降低越多［4］。采用两段共渗法，能获得渗层深度和硬度兼顾的效果。开始段500℃保温，工件表面获得致密的氮化物弥散相，使硬度最高。第二段在570℃保温，因为温度提高，使氮原子的扩散系数加大，增加了氮原子向内的扩散速度，使共渗层加深。
时间对渗层的影响和温度的高低有关系，当温度较低时，氮原子的扩散系数较小，渗速较低，保温时间应稍长些。在一定的时间范围内，延长时间，渗层深度增加，硬度也能提高。但超过一定时间极限后，氮化物发生聚集，弥散度减小，则硬度降低。渗层深度和时间的关系，呈抛物线规律。时间延长，深度增加，最初增加快，以后逐渐减慢。超过一定时间后，几乎不再增加。此时，想继续增大渗层深度就需要提高温度，由第一段的500℃提高到第二段的保温温度570℃。这样，氮原子的扩散速度显著加大，渗层深度继续增加。因为氮原子在α、ε、γ?相中的扩散系数D和温度的关系，仍符合D＝的规律。
循环处理工艺影响渗层质量。循环共渗层的硬度受下限温度（500℃）和时间（2h）的控制。而层深则取决于上限温度（570℃）和时间（1h）。工艺中采用两段加热两次循环共渗，在500℃×2h下限保温共渗，获得细小弥散型氮化物，达到表层的高硬度和高耐磨、耐蚀性能。在570℃×1h的上限保温，促使氮原子的扩散，保障渗层深度。随着循环次数的增加，白亮层加大、高硬度区与高氮区扩宽。因为循环处理能有效地利用浓度梯度和温度对扩散的有利作用［5］。
抛光也影响渗层质量。工件在第1次循环共渗之后，表面的共渗层厚（50～70）μm，最表层还有残渣和部分粗糙多孔的绒毛层，必须用轻机械抛光或精研法，去除表面的污物和部分氧化物、硫化物形成的绒毛层。使工件表面更加洁净。更具有吸收S、N、C原子的活力，以保证第2次循环处理的质量。
工件在第2次循环的第1段（500℃×2h）共渗后，表面获得的化合物层硬度高，梯度陡且扩散层浅。工件进入第2段（570℃×1h）保温，进一步促进氮原子向内部扩散，使渗层深度继续增加，硬度梯度变得更平缓。由于未达到氮化物极聚集长大的温度（590℃），所以前段生成的细小弥散的氮化物，不会聚集长大，硬度不受影响［6］。
4 结论
（1） 循环抛光硫氮碳共渗处理的耐蚀钢柱塞、阀座等可以代替进口件，寿命提高1倍，其抗腐蚀、耐磨损性能，高于表面镀铬件3～6倍。
（2） 工艺过程为清洗去油、除锈→烘干→第1次循环SNC共渗→冷却（水或空气）→清洗（用热水洗涤残盐）→抛光（轻度机械抛光或精研，获得需要的表面光洁度）→第2次循环共渗。
（3） 严格控制渗浴成分，保障氰酸根CNO－为38％～40％，按操作过程，控制好每个工艺参数，是生产高质量产品的重要因素。
参考文献
1 胡正前，张文华.金属热处理，1997（10）：9～10
2 王国佐，王万智.钢的化学热处理.北京：中国铁道出版社，1980：110～343
3 孙一唐，罗光荣.热处理新技术.北京：机械工程进修大学，1989：51～53
4 郭铮匀译.钢的氮化.北京：国防工业出版社，1979：164～174
5 中国机械工程学会热处理专业学会.热处理手册〔一卷〕二版.北京：机械工业出版社，1991：353～357
6 邓光华.金属热处理，1995（11）：8～10(end)
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(11/14/2004) |
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