柱塞和阀座循环抛光硫氮碳共渗

huanggj

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
Circular Polishing and Sulphonitrocarburizing for Plunger and Value Seat
Bai Bin（Chongqing Time Heat Treatment Research Institute，Chongqing 400015）
Lei Xikong
【Abstract】 In this paper，circular polishing and sulphonitrocarburizing for plunger and value seat of methylamine made of 00Cr25Ni6Mo2N double phase steel（A＋F） were presented．The case depth was （90～100）μm and microhardness was （680～920） HV0．05．Through runing test，the service life reached one year．The service life raise one time compared with imported workpiece of chromium-plating，raise 3～6 times compared with domestic workpiece of stainless steel．The products could be substituted for erosion and wear resistant imported workpiece．The process could be substituted for chromium-plating．
Key words：plunger and value seat，00Cr25Ni6Mo2N double phase steel，sulphonitrocarburizing，circular polishing
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


钢材牌号 表面
处理 运转
时间／天 损坏情况
1Cr18Mn10Ni5Mo3 A 180 腐蚀、Cr层脱落
0Cr18Ni12Mo2Ti A 180 腐蚀、Cr层脱落
00Cr25Ni6Mo2N B 360 密封面磨损
00Cr25Ni6Mo2N B 199 未磨损、继续用
00Cr25Ni6Mo2N B 360 效果优于进口件
AISI　329（进口） A 63 缸体开裂失效
AISI　316L（进口） A 62 缸体开裂失效
00Cr25Ni6Mo2N B 130 未磨损、继续用
AISI　316L（进口） A 160 腐蚀、Cr层剥落
0Cr18Ni12Mo2Ti A 190 腐蚀、Cr层剥落
00Cr25Ni6Mo2N B 361 密封面磨损、寿命提高
AISI　316L（进口） A 62 阀口变形严重、无法修复
00Cr25Ni6Mo2N 上次SNC
共渗 184 阀口磨损、渗层印痕
00Cr25Ni6Mo2N B 265 密封面磨损、可继续用
00Cr25Ni6Mo2N B 336 密封面磨损很浅、还能用
00Cr25Ni6Mo2N 水处理 20 阀芯封面磨损2mm

　　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＝g26-1.gif (247 bytes)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。
白　滨：男，高工，主要从事热处理工艺、设备设计和研究，发表论文34篇，曾获重庆市科技　　　　　成果三等奖和市机械局科研成果奖励。
作者单位：白　滨：重庆时代热处理研究所（重庆400015）
　　　　　雷希孔：重庆渝蕾实业有限公司
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