盐浴软氮化工艺在燃气轮机零件上的应用

2014-12-03丁丽锋

热力透平 2014年4期

张进，宋帆，丁丽锋

（上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240）

近年来，随着汽车行业、机械制造行业的飞速发展，一种盐浴软氮化工艺也迅速发展起来。同气体氮化、离子氮化相比，该工艺有自己的优势，如时间短、成本低、氮化层均匀、氮化后不需磨削加工，可直接进行装配等。特别是对只需要局部区域氮化的零件，盐浴软氮化有无可比拟的优势。上海汽轮机厂从西门子引进的E 级、F 级重型燃气轮机中的许多马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和合金钢零件都采用了盐浴软氮化表面处理。本文对这些材料进行了工艺试验，并对氮化层性能以及生产中碰到的问题进行了分析和总结，为今后燃机零件的表面处理、加工及装配提供参考。

1 试验材料及试验方法

根据产品的需要，选用了4种有代表性的材料 25Cr2MoVA、2Cr13、2Cr12MoV 和X8CrNiNb16－13，软氮化前X8CrNiNb16－13经固溶处理，其它3种材料经调质处理，热处理后加工成Φ8／Φ10×150mm 的圆棒试样，表面粗糙度Ra≤1.6μm。

试样在井式盐浴炉中进行软氮化处理，氮化完毕后，通过性能和微观组织分析，从而找到最合适的工艺参数，为产品生产做准备。我们选取的软氮化温度分别为530±5℃、565±5℃、590±5℃，时间为90～240min，试样软氮化工艺流程如下：氮化前检验→脱脂→表面清洗→预热→盐浴软氮化→冷却→清洗。

2 试验结果与分析

2.1 盐浴软氮化工艺参数对氮化深度的影响

图1为25Cr2MoVA 钢在不同工艺参数下进行盐浴软氮化后的显微组织，可以看出，在相同的氮化时间内，随着氮化温度从530 ℃提高到590℃，化合物层（白亮层）的厚度随之增加；但590℃盐浴的试样保温150min后，表面粗糙度变差；在565℃的温度下氮化，随着氮化时间的延长，化合物层（白亮层）的厚度增加。通过氮化形貌可看出，氮化层的厚度均匀、一致。根据文献［1］，若温度过低，盐浴的活性和流动性变差；若温度过高，会导致渗速过快，产生的渗氮层不致密，影响工件的表面粗糙度，而且高温会加速氮化熔盐的老化。因此综合考虑各种因素，本试验盐浴温度控制在565℃左右，可获得合适的渗速，且能缩短氮化时间，便于组织生产。

图1 25Cr2MoVA 在不同温度和时间软氮化后的显微组织（腐蚀后，×400，（a）、（b）、

2.2 不同材料的氮化层厚度

为了研究氮化层的脆性情况，按照GB／T11354－2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》测试，脆性为1级（见图2），压痕边角规整。与常规气体氮化不同，盐浴软氮化后在表面上形成了以Fe（2－3）N为主的ε相［2］氮化层，它几乎没有脆性，使零件的表层获得耐磨、抗咬合、耐蚀和抗疲劳等优良特性，因此零件氮化后可以不需磨削加工，直接装配使用。

采用金相法和硬度法测量了其渗层深度（取比基体维氏硬度高50HV 处的垂直距离作为渗氮层深度），结果见表1，为了便于区分，将化合物层与基体之间的过渡区称为扩散层，总渗层为化合物层深度和扩散层深度之和。可以看出，低合金钢获得的总渗层最深，且过渡层也较深，比较容易氮化。

图2 2Cr12MoV 和X18CrNiNb16－13材料软氮化后的氮化层厚度测试

表1 不同材料软氮化后的渗层硬度对比（HV0.1）单位：μm

2.3 不同材料的氮化层硬度

我们研究了 25Cr2MoV、2Cr13、X8CrNiNb16－13三种材料盐浴软氮化后硬度变化情况，结果见表2 和图3。材料的软氮化工艺为565℃×90min。对比可以看出，盐浴软氮化对低合金钢、马氏体耐热钢、奥氏体不锈钢均可行，对材料的适应性强。特别是对于奥氏体不锈钢，氮化后可以显著提高材料的表面硬度。

表2 不同材料软氮化后的渗层硬度梯度测试数据（HV0.1）单位：μm

图3 25Cr2MoVA、2Cr13和X18CrNiNb16－13材料氮化层硬度比较

2.4 盐浴软氮化后的变形

在我厂燃机零件的实际生产中，有一些垫片、锁环、板及圆筒类的零件需要进行盐浴软氮化，这些零件形状各异，尺寸从10～1 000mm 不等，其中有些零件有很高的加工以及装配精度要求，因此我们研究了不同零件软氮化前后的尺寸变化情况。

选取了有代表性的材料和工艺，测量了试样软氮化前后的尺寸，每个试样测试3次取平均值，结果见表3。对比可以看出，随着氮化时间从90 min到240min，试样外圆直径尺寸有所增加，但变化值都很小，基本处于零件图样规定的公差范围内（0.1mm 以下）。其中2Cr12MoV 材料数据为本厂圆筒形零件经局部盐浴软氮化后测试的结果，单面膨胀量在30μm 以内（设计要求圆环壁厚14.4－0.2mm），远小于零件规定的公差极值。

表3 不同材料软氮化后尺寸数据测试值

虽然盐浴软氮化造成的变形很小，但是对于一些有紧密配合和较高公差要求的零件，仍需注意氮化后的变形问题。例如某燃气轮机压气机轴承座中的垫片（见图4），材料为X8CrNiNb16－13，尺寸为224×100×10mm，设计要求上、下表面装配时的平面度≤20μm，试生产时加工了6块垫片，盐浴软氮化后变形超差达60～100μm，经返修后仍然超差。经分析，变形原因是由于材料为奥氏体不锈钢，固溶后的硬度只有130HV，零件比较薄，刚性不足，机加工后零件内部产生了较大的残余应力，在盐浴软氮化后应力释放，造成零件变形。

图4 X8CrNiNb16－13垫片的尺寸测量

为了解决变形超差的问题，对工艺进行了调整，将除应力处理前保留的加工余量减小，同时提高除应力的温度，使零件因加工产生的内部残余应力消除得更彻底；其次改进机加工工艺，工件在铣削完表面后，上下表面反复多次磨削加工，控制平面度，盐浴软氮化后再次测量变形量，最终结果满足了设计要求。

2.5 氮化零件的耐腐蚀性

燃机中软氮化的零件工作在一定压力的和湿度的蒸汽环境中，要求有一定的耐腐蚀性能。为此，我们对盐浴软氮化前后的材料进行了腐蚀性能测试，试验按照ASTM B117－2009盐雾试验标准进行。图5 为25Cr2MoVA 钢经72h 中性盐雾试验后的图片，可以看出氮化后的试样未出现锈迹，未氮化试样则出现严重锈蚀。试验结果表明，对于合金钢零件，经过盐浴软氮化后，表面形成的氮化层可提高材料的耐腐蚀性。