一种奥氏体不锈钢渗铬氮化表面处理工艺

摘要

本发明属于核燃料制造领域，具体涉及一种奥氏体不锈钢渗铬氮化表面处理工艺，将工件埋入渗铬剂，再一同装入渗铬罐再入渗铬炉进行渗铬热处理，将工件置于高压真空气淬炉，渗铬层转化为渗铬氮化复合渗层，渗铬剂其成分为铬粉、填充剂和催化剂，渗铬热处理首先进行渗铬粉剂预处理及装载封装，再进行热处理；氮化处理包括清洗并干燥试样、工件和氮化炉，之后氮化炉进行渗氮热处理。渗铬剂配方避免了板结现象，对工造不易造成损伤，设计渗铬保温时间因素与渗层厚度之间的关系，控制渗铬层厚度，以及减小工件变形，固溶氮化工艺能够满足氮化要求，且消除了粉末渗铬过程对材料性能造成的不利影响。

说明书

技术领域

本发明属于核燃料制造领域，具体涉及一种不锈钢渗铬氮化表面处理工艺。

背景技术

在钠冷快堆特有要求的燃料组件及堆内构件的不锈钢零件表面处理技术中，或者用于民用的不锈钢零件表面硬化技术中，常常需要对氏体不锈钢零件表面渗铬氮化，其目的是为了避免在钠冷快中子堆内的部分零部件在辐照使用和操作中产生粘连，该技术是对不锈钢表面进行渗铬再进行氮化，达到表面有足够厚度和强度的硬化层，对零件予以加硬强化处理的一种表面处理工艺。

该技术曾是制约公司快堆燃料组件科研生产的技术瓶颈，因此必须自行研究突破和彻底掌握该技术。

常规不锈钢渗铬法渗铬层厚度无法达到技术要求的足够厚度，以及常用的氮化方法不能生成氮化二铬为主的渗层。现有公开文献资料的粉末渗铬、气体渗铬、盐浴渗铬等不适用于公司产品生产，按公开文献进行工艺试验不能得到结果的再现，由于是铬向含铬的不锈钢基体内部的浓度扩散，所以现有这些公开渗铬工艺的渗铬层非常薄或没有渗铬层，现有的常规氮化方法如氨氮化、离子辉光氮化等不能生成要求的氮化二铬，已知的固溶渗氮的工艺方法对经表面渗铬后的氮化影响深度和氮化二铬生成比例不能达到比例要求。目前，已知的开展渗铬氮化复合处理的研究和服务的国内外机构极少，仅能对俄罗斯快堆试样外观比较，和对给我们提供过服务的上海工艺所比较。上海工艺所与我们工艺方案是粉末渗铬后纯氮固溶氮化，俄罗斯为粉末渗铬后用氨氮化。俄罗斯的氮化工艺因涉及危化品使用，国内无高温下的氨氮化工艺设备，无法实施验证。

早年曾为我公司提供过该工艺外协的单位(上海工艺所)实际上也并未掌握该技术，工艺结果不可控，质量极不稳定，连续报废数炉零件，成功率低下，渗层厚度仅在下限，让步接收，多次工艺调整后参数均无法提高，Cr

据了解，国内已运行的实验快堆、和在建的示范快堆等钠冷堆有大量的需要表面做渗铬氮化处理的不锈钢堆芯部件，该工艺是国内实验快堆、示范快堆等钠冷堆组件生产的重要工艺，应用前景良好。渗铬氮化表面处理工艺是阻碍公司为原子能研究院CEFR实验组件批量生产中最后一个工艺技术障碍。

所以，目前国内尚无稳定可靠的渗铬氮化表面处理工艺技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种奥氏体不锈钢渗铬氮化表面处理工艺，能够对316Ti、15-15Ti、CN-1515以及304等奥氏体不锈钢材质的操作头、上过渡接头等工件的表面进行渗铬氮化处理，以达到提高其表面硬度和耐腐蚀性，防止扩散性咬合、擦伤、磨损的目的。

本发明的技术方案如下：

一种奥氏体不锈钢渗铬氮化表面处理工艺，包括如下步骤：

步骤一、渗铬处理

将工件埋入渗铬剂，再一同装入渗铬罐再入渗铬炉进行渗铬热处理；

步骤二、氮化处理

将工件置于高压真空气淬炉，渗铬层转化为渗铬氮化复合渗层。

所述的步骤一中的渗铬剂其成分为铬粉、填充剂和催化剂。

所述的铬粉为纯度为99％的铬粉，填充剂为三氧化二铝，催化剂为NH

所述的催渗剂为NH

所述的步骤一中，渗铬热处理首先进行渗铬粉剂预处理及装载封装，再进行热处理；所述的预处理包括清洁、干燥渗铬炉、渗铬罐、工件以及渗铬剂，并驱除渗铬罐内的空气。

在干燥NH

在进行渗铬热处理时，首先应在280℃的温度下保温，其后升温至600℃保温，然后升温至渗铬温度下保温至生成渗铬层厚度，渗铬温度为1100℃。

氮化处理具体包括

2.1)清洗并干燥试样、工件和氮化炉

2.2)试样、工件装入氮化炉进行渗氮热处理。

所述的渗氮热处理中氮化温度为1060～1080℃，氮化保温时间4～5小时，保温压力0.10-0.3Mpa，冷却速度为1h之内降至室温。

所述的步骤一之后进行渗铬层检测，步骤二之后进行固溶氮化检测，分别确定渗铬层厚度、复合渗层厚度和Cr

本发明的显著效果如下：

1)本方法中设计的渗铬剂配方避免了板结现象，对工造不易造成损伤。

现有文献资料的渗铬剂配方经渗铬处理后板结现象严重，对于长工件的取出操作非常不利，易造成在取出的过程中对工件造成机械损伤，并且工件表面的粘结颗粒物较多，影响工件的外观，并增加了后期的清理工作量。研制的渗铬剂配方，解决了以上问题的同时，还具有成本低廉，物料的种类少且简单等优点。

2)渗铬处理工艺质量稳定可靠。

通过研究出的渗铬保温时间因素与渗层厚度之间的关系，控制渗铬层厚度，以及减小工件变形。

3)固溶氮化工艺能够满足氮化要求，且消除了粉末渗铬过程对材料性能造成的不利影响。

固溶氮化工艺以清洁的氮气替代传统的使用危化品氨作为氮化介质，氮化操作方便安全，利用先进的真空固溶设备，满足快堆项目氮化要求的同时，还达到了对工件进行固溶的效果，有效地消除了粉末渗铬过程对材料性能造成的不利影响，取消了俄罗斯氨氮化法导致的晶界贫铬作为补充手段的稳定化处理。

渗铬氮化表面处理要求如下：

渗铬处理后的工件表面呈银灰色至光亮的银色，且表面光滑、平整，无牢固粘结颗粒物，粗糙度Ra3.2；

渗铬随炉试样经镶样、抛光并侵蚀后，在金相显微镜下放大200倍可观察到在基体金属有明显的渗铬扩散交界线，交界线到表面部分的渗铬层，其厚度要求0.07～0.14mm；

氮化后工件的外观为理想的氮化色即亚光银灰色，无绿色和发黑等不良氮化表面，表面无明显的渗层剥落现象等不良现象；

氮化随炉试样经镶样硬度梯度检测，表面硬度≥500HV

经本渗铬氮化工艺处理后的下可观察到氮化组织呈均匀的弥散态，复合渗层的厚度符合0.07～0.14mm。

氮化随炉试样表面抛光后经XRD检测Cr

附图说明

图1为渗铬热处理制度；

图2为氮化处理曲线图。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

步骤一、渗铬处理

基于粉末渗铬原理，将工件埋入渗铬剂(按化学成分为铬粉、填充剂和催化剂)，再一同装入渗铬罐再入炉，通过控制渗铬温度下的保温时长，在工件表面生成一定厚度的高浓度渗铬层。

粉末渗铬工艺的化学物理原理为：催渗剂NH

1.1)确定渗铬粉配比和粒度

渗铬剂，其成分为铬粉、填充剂和催化剂

铬粉采用了纯度为99％的铬粉，填充剂用三氧化二铝(白刚玉)，催化剂可采用NH

经在316Ti试样试验，当NH

经试验研究得出，铬粉和氧化铝粉的粒度应适当。当铬粉的粒度过细时，极易在工件表面形成铬的粘结颗粒物，不易清理，影响渗铬后工件的外观。同时，氧化铝粉作为渗铬剂的中填充剂，虽未直接参与到渗铬过程，但在氧化铝粉之间形成的间隙对渗铬气氛的流动性存在一定的影响，所以氧化铝粉的粒度也不应过细。适宜的粉剂粒度既能够保证渗铬过程的正常，也能得到较好的工件外观，同时每次使用渗铬装炉时可以降低新粉的比例，降低生产成本。

渗铬粉配比为：质量百分比1-3％的NH4I、25-50％的80-150目99％纯度铬粉、50-75％的60-150目99％氧化铝粉。

1.2)渗铬热处理

a)首先进行渗铬粉剂预处理及装载封装

渗铬过程中，若有氧元素的存在，极易使工件表面的渗铬层被氧化，生成绿色的Cr

干燥NH

由于渗铬剂本身的传热性能差，容积大的渗铬罐中装载的渗铬剂越多，各位置达到均达到渗铬温度所需的时间也越长。

如果在Φ300×730mm渗铬罐内保温23小时，其内层试样比外层试样表面的渗层厚度厚约0.01mm，而内外层试样在渗铬罐径向的距离仅约80mm。为了保证同一渗铬罐中的工件和试样表面的渗铬层厚度的均匀性，工件和试样的摆放位置应相对固定，渗铬罐的芯部位置应尽量不放置工件或试样。经检测研究，经该法放置，试样与从工件上取样进行金相检测厚度一致。

渗铬氮化的随炉试样为与工件材料和表面加工状态一致的边长10mm的正方体，一面打钢印号。

b)然后进行热处理

渗铬热处理时，首先应在280℃的温度下保温一段时间，使得NH

渗铬热处理制度如图1，在260～300℃保温2～4h，升温，在590～610℃保温2～4h，再升温，在1000～1200℃保温22～24h，然后降温至300℃以下出炉。

生产中，渗铬温度(1100℃)下的保温时间，由渗铬层的厚度要求以及实际的装炉量参考表1做工艺验证后确定。

表1在1100℃,13小时后渗铬层厚度与保温时间的关系

c)渗铬层检测

渗铬处理后的工件应经外观和尺寸检查，随炉试样经镶样、抛光并侵蚀后在金相显微镜检测渗层厚度。侵蚀液成份为CuSO

步骤二、氮化处理

将工件置于能承受高压加热的高压真空气淬炉内，在高压纯氮气氛，略高于固溶温度，高温活化的氮原子可渗入工件基体，保温一段时间后快冷，使高铬浓度的渗铬层转化为相组成为Cr

氮化过程可分为三个阶段：首先是氮气在高温下分解成活性氮原子；然后活性氮原子扩散吸附在工件表面；最后氮原子由材料表面向基体进行扩散，形成金属氮化层，再快冷将氮固定在材料表层一定深度。温度、保温时间和氮气压力三个基本参数的控制，是保证固溶氮化三个阶段顺利进行并达到预期固溶氮化效果的必要条件。实现固溶氮化的必要条件是：纯氮气氛加热、纯氮加压保温、纯氮气淬快冷。

具体包括

2.1)清洗并干燥试样、工件和氮化炉

氮化前应保证工件和氮化炉的清洁和干燥，生产用纯氮做洗炉二次，在抽真空后保持一段时间后充入纯氮保压保时，然后再次抽真空充氮气，反复抽真空充氮以充分洗除氮化炉内胆、夹具和工件表面吸附残留的微量氧气，然后才能进行固溶氮化处理。

2.2)试样、工件装入氮化炉进行渗氮热处理

氮化过程中渗铬层对氧元素极为敏感，气氛中氧元素必须予以去除，氧原子较氮原子的氧化性强，氮化过程中如果氮化炉气氛有氧原子的存在，表面渗层中的铬元素会优先与氧原子发生反应，生成绿色的Cr

氮化温度

固溶氮化的介质为氮气，温度较低时，不能分解为出活性的氮原子，所以固溶氮化必须在高温下进行。不锈钢的固溶处理的保温温度一般在1050～1150℃之间，含碳量偏低时取下限，偏高时取上限。奥氏体不锈钢在高于1000℃温度才能生成Cr

氮化时间

由于不锈钢的导热性能差，固溶处理的保温时间一般应较长，保温时间应不小于1～2min/mm。快堆项目中需氮化工件的最大厚度尺寸约为35mm，故要达到固溶的目的，其保温时间应不小于35～70min。

在其他条件不变的情况下，保温时间可以控制氮化层的厚度，本工艺中受限于设备加压保温0.15MPa的能力，氮化保温约为4～5小时，生成的氮化层厚度能达约0.10mm。经生产验证，如0.3MPa，实现0.14厚度的氮化层，时间可以缩短到2小时以内。

保温压力

氮化保温压力增加可有效缩短氮化时间和控制氮化物相。常压氮化后的渗层表面仅有CrN生成，无Cr

快堆组件要求渗铬氮化层中应以Cr

冷却速度

从1070℃缓慢冷却到室温，则氮化层在经历1000℃-700℃的过程中，Cr

工艺的快冷充氮分压压力为0.5Mpa，冷却开始，快速充入高压氮气在大功率外循环风机的搅拌作用下，工件热量迅速传递到氮气介质，由氮气带入冷却循环水中，3～5分钟内整个系统冷却到室温，实现快速冷却。

如图2所示，3h之内升温至1060～1080℃保温4～5h，之后在1h之内降至室温。

2.3)固溶氮化检测

包括金相检测(复合渗层厚度确定)和物相检测(Cr

随炉试样经镶样、抛光并侵蚀(侵蚀液成份为CuSO

氮化随炉试样表面轻微抛光后经XRD检测Cr