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采用氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理技術(shù)，解決零件內(nèi)孔的耐磨防腐問題

2018-07-13 11:40:28 作者：本網(wǎng)整理來源：《金屬加工（熱加工）》雜志分享至：

石油鉆井市場(chǎng)內(nèi)，對(duì)于內(nèi)孔需要較高耐磨性和良好抗蝕性能的零件，傳統(tǒng)工藝一般采用鍍鉻處理，將零件其他部位加工到成品尺寸后包覆絕緣層，再進(jìn)行鍍鉻處理，鍍鉻工藝采用含量高、氧化性強(qiáng)的鉻酸酐，危害人體和污染環(huán)境，且鍍鉻溶液的陰極效率低，大量電流消耗于析出氫氣的反應(yīng)，浪費(fèi)能源。現(xiàn)有的激光熔覆技術(shù)，通過熔融合金粉，可以對(duì)零件外表面或內(nèi)表面端部進(jìn)行耐磨防腐處理，但對(duì)于零件內(nèi)孔的中間部位，若孔徑深且小，操作極難，也無法滿足要求。因此，必須采用一種環(huán)保高效的工藝，來解決零件內(nèi)孔的耐磨防腐問題。

1.試驗(yàn)研究

本文采用氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理技術(shù)，即在一定溫度下，將零件放入氮化爐鹽浴中，氮化鹽中的氰酸根分解產(chǎn)生的N、C原子可在零件表面形成鐵的化合物層和擴(kuò)散層，然后再將零件放入氧化爐鹽浴中以形成黑色氧化膜層，因此零件表面為由金屬元素的氮化物和氧化物組成的復(fù)合滲層，表面硬度大幅度提高，摩擦系數(shù)低，表面的電極電位也得到提高，使產(chǎn)品表面形成耐磨防腐層。

零件原材料選用調(diào)質(zhì)中碳鋼42CrMo，投料尺寸Ф140mm×676mm，進(jìn)行以下加工：下料→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→第一次粗加工，車去氧化皮→半精加工，將零件耐磨防腐處理部位加工成型→氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理→第二次粗加工→精加工→檢驗(yàn)。氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理技術(shù)工藝路線為：清洗去油→裝夾→預(yù)熱→鹽浴氮化→鹽浴氧化→空冷→水洗。

其中，調(diào)質(zhì)前尺寸為Ф136mm×孔Ф60mm×674mm，調(diào)質(zhì)處理參數(shù)如下：840～855℃淬火加熱保溫120～140min，在水基淬火液中冷卻3～5min后轉(zhuǎn)油冷卻，590～610℃回火加熱保溫150～170min后水冷，調(diào)質(zhì)處理后表面硬度為318～331HBW。進(jìn)行氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理的溫度必須低于調(diào)質(zhì)處理的回火溫度，以保證氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后，零件的基體性能滿足工具使用要求。因其他部位具有高的硬度易引起產(chǎn)品失效，所以零件為半成品進(jìn)行氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理，處理完后進(jìn)行第二次粗加工，用超硬刀具車去不需要耐磨防腐處理部位的氮碳共滲硬化層。零件配帶同爐試料塊，進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)。

2.性能檢測(cè)

（1）對(duì)氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后的零件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1，結(jié)果表明，嚴(yán)格控制好調(diào)質(zhì)回火溫度及氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理溫度，經(jīng)過氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后，零件的基體材料力學(xué)性能優(yōu)良，仍能滿足產(chǎn)品使用要求。

表1 零件氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后的力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度R_m/MPa	屈服強(qiáng)度R_P0.2/MPa	斷后伸長(zhǎng)率A（%）	斷面收縮率Z（%）	硬度HBW
1050	975	16.5	56.5	285～297
1060	990	17.0	56.5	285～297

（2）檢測(cè)零件氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后的硬度，首先測(cè)試表面硬度，三個(gè)硬度值分別為896.51HV0.1、918.93HV0.1、907.59HV0.1，平均硬度值為907.68HV0.1。對(duì)斷面用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，金相顯微鏡400×下觀察可知化合物深度為20μm左右，見圖1，檢測(cè)斷面梯度硬度，整個(gè)硬化層大約為0.5mm，見圖2。

圖1 氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理斷面金相

圖2 氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理斷面梯度硬度

（3）按ASTM Bll7標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后的試樣進(jìn)行連續(xù)噴霧試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)溫度35℃±2℃，相對(duì)濕度>95%，5% NaCl水溶液噴霧。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理后的零件抗蝕性優(yōu)良，經(jīng)168h后無明顯銹蝕，圖3所示為鍍鉻試樣與氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理試樣鹽霧試驗(yàn)后的效果對(duì)比。

圖3 鍍鉻與氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理試樣鹽霧試驗(yàn)后

3.應(yīng)用實(shí)施

將零件裝配在產(chǎn)品上，該零件內(nèi)腔充滿液體，錐體活塞在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，利用液壓工作原理來進(jìn)行作業(yè)，其中，錐體活塞表面進(jìn)行了強(qiáng)化，表面硬度為45～50HRC。裝配后在試驗(yàn)架上進(jìn)行耐磨性檢測(cè)，高噸位550kN下作業(yè)300次，總共裝配了兩件零件進(jìn)行測(cè)試，作業(yè)過程無任何故障，效果良好。作業(yè)后檢測(cè)零件內(nèi)孔工作部位尺寸，直徑上變化了0.01～0.03mm，尺寸變化極小，觀察零件內(nèi)孔表面，光滑無任何毛刺；錐體活塞對(duì)磨面光滑，無任何擦痕，即零件耐磨性優(yōu)良。

4.結(jié)語

石油鉆井市場(chǎng)內(nèi)，對(duì)于內(nèi)孔需要較高耐磨性和良好抗蝕性能的零件，可采用將零件加工為半成品進(jìn)行氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理，后續(xù)再進(jìn)行車削，嚴(yán)格控制好調(diào)質(zhì)回火溫度及氮碳共滲鹽浴復(fù)合處理溫度，即可保證零件基體力學(xué)性能達(dá)到產(chǎn)品使用要求，且內(nèi)孔表面具有較高的硬度，良好的耐磨抗蝕性能。該種加工方法經(jīng)濟(jì)效益高，且對(duì)人體無危害，無環(huán)境污染，有效地解決了零件內(nèi)孔的耐磨防腐問題。

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責(zé)任編輯：韓鑫