油管内壁离子渗氮工艺及渗层性能研究

摘要

本文针对氮化处理的效率及渗氮层的脆性等问题，使用自制大长径比油管内壁离子渗氮设备，以常规离子渗氮工艺为基础分别探究净化处理工艺、退氮处理工艺及复合渗氮工艺对渗氮层综合性能的影响规律，采用正交试验方法进行参数优化，并对各工艺的作用机制进行探讨。 通过正交试验分析得到的常规离子渗氮最优参数为：渗氮温度550℃、保温8h、气压180Pa。最优参数下获得厚度约为0.46mm的渗氮层、截面最高硬度约为617HV0.2、耐蚀性比基体提高约4倍、断后延伸率约为12%，渗氮层由ε相、γ′相及α相组成。 通过活性氢粒子的溅射和热作用，净化处理使试样获得贫碳表面，对离子渗氮起到促进、改善作用。获得的最优净化处理参数为：净化时间 20min、净化温度 540℃、炉内氢气分压180Pa。最优参数下获得厚度约为0.57mm的渗氮层、截面最高硬度约为670 HV0.2、断后延伸率约为13%、耐蚀性约是常规离子渗氮试样的1.4倍，净化处理后渗层氮含量提高约25%，渗氮层中γ′相含量增加。 退氮处理通过机械和热作用使得白亮层减薄，促进活性氮原子的进一步扩散，降低了渗氮层整体脆性。获得的最优参数为：氢气分压 160Pa、退氮电压 850V、退氮时间20min。与常规离子渗氮试样相比，退氮处理试样的渗层截面最高硬度约下降150 HV0.2。其断后延伸率约为 16%，约是未退氮试样的1.25 倍。退氮处理后渗氮层表面形貌粗糙程度加大，渗氮层中主要含有γ′相及α相。 复合渗氮工艺获得的最优参数为：净化时间 25min、退氮时间 30min、净化温度560℃。最优参数下获得的渗氮层厚度约为 0.52mm、截面最高硬度约为 550 HV0.2、断后延伸率约为14%，渗氮层中γ′相含量较高，渗氮层具有较高质量。

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