離子硬化工藝在316L不銹鋼閥內(nèi)件中的應(yīng)用

張鵬奇， 尚洪寶， 李 黎， 周志強(qiáng)

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司， 重慶 400700)

在工業(yè)閥門行業(yè)，閥內(nèi)件硬化工藝一直是困擾閥門生產(chǎn)和發(fā)展的重大問題。閥內(nèi)件的硬化工藝一方面要求能最大限度地提高表面硬度，以達(dá)到耐磨性好、壽命高的要求，另一方面又要求具有較好的耐腐蝕性，以抵抗介質(zhì)的腐蝕[1-2]。傳統(tǒng)的硬化工藝主要采用化學(xué)鍍鎳、堆焊、電鍍硬鉻、超音速噴涂等方式，涂層易脫落，耐腐蝕性不足[3-4]。目前，國外普遍采用低溫離子硬化工藝，該技術(shù)國內(nèi)還不成熟，需要進(jìn)一步研究[5]。

離子滲氮、離子碳氮共滲工藝是在真空狀態(tài)下，以試樣為陰極，利用輝光放電現(xiàn)象將氮原子或碳氮原子激發(fā)成離子狀態(tài)，活性提高，滲入金屬晶格，形成堅硬的擴(kuò)散層[6-8]。奧氏體不銹鋼具有穩(wěn)定的奧氏體組織、優(yōu)良的耐腐蝕性能、抗氧化性能及易加工性能[9-12]，作為閥內(nèi)件廣泛應(yīng)用于閥門領(lǐng)域。雖然奧氏體不銹鋼離子硬化技術(shù)已有初步研究，但在閥門上的應(yīng)用還很少，本文通過離子滲氮和離子碳氮共滲處理工藝，對316L奧氏體不銹鋼試樣和閥內(nèi)件進(jìn)行表面硬化處理，為離子硬化工藝在閥門行業(yè)的應(yīng)用提供新思路。

1 試驗材料及方法

試驗材料為閥內(nèi)件常用材料316L奧氏體不銹鋼，經(jīng)過1020 ℃×1 h固溶處理，水冷，具體化學(xué)成分如表1 所示，符合美國ASTM A479標(biāo)準(zhǔn)。采用由PVD爐改造而成的低溫離子硬化爐對φ30 mm×30 mm試樣和閥內(nèi)件(包括球芯和閥座，規(guī)格為DN50 mm)進(jìn)行硬化處理。316L鋼試樣和閥內(nèi)件經(jīng)砂紙打磨、拋光、無水乙醇清洗、烘干后一起放入低溫離子硬化爐內(nèi)，抽真空至小于5 Pa后升溫3 h至450 ℃，分別通入N2+H2氣體和入N2+H2+C2H2氣體進(jìn)行離子滲氮(PN)和離子碳氮共滲(PNC)處理，保溫10 h后在真空環(huán)境下隨爐冷卻，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表1 316L奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 離子硬化工藝參數(shù)

采用XJZ-6A光學(xué)顯微鏡觀察316L鋼試樣經(jīng)PN和PNC處理后的滲層深度，試樣經(jīng)切割機(jī)切出截面，拋光后用清水沖洗，然后用20%CuSO4+40%HCl+40%H2O腐蝕劑腐蝕5～10 s，最后用酒精清洗并吹干。采用HVS-1000維氏顯微硬度計檢測試樣的表面硬度及滲層截面硬度梯度變化，加載載荷砝碼100 g，加載時間15 s，結(jié)果為3次測量的平均值。采用鹽霧試驗箱對試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗，試驗環(huán)境為3.5%NaCl溶液，腐蝕24 h后用光學(xué)顯微鏡觀察表面形貌變化。采用TD73000PCI-3691電化學(xué)工作站檢測試樣的腐蝕電位，溫度為室溫，采用3.5%NaCl溶液中性腐蝕環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為Pt電極，工作電極為試樣，掃描速度為1 mV/s，試樣有效工作表面積為1 cm2。采用DNT110表面粗糙度儀檢測試樣的表面粗糙度，結(jié)果為3次測量的平均值。采用三坐標(biāo)檢測儀檢測PNC處理后閥內(nèi)件中球芯和閥座的變形量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲層厚度

圖1為316L鋼經(jīng)PN和PNC處理后的表面硬化層形貌?？梢钥闯?，經(jīng)過PN或PNC處理后，試樣表面形成了連續(xù)、致密的滲層，且滲層厚度均勻，其中PN處理試樣的滲層平均厚度為19.2 μm，PNC處理試樣滲層平均厚度為16.3 μm，表明316L鋼在低壓真空450 ℃離子硬化10 h，PN比PNC處理更容易滲入316L鋼，可能是由于C2H2濃度增加，H2濃度下降導(dǎo)致活性氮滲透的促進(jìn)作用下降。文獻(xiàn)[13]報道PN處理可以在基材表層獲得擴(kuò)大奧氏體相γN，推測在450 ℃，離子滲N基材表面可能會產(chǎn)生CrN；PNC處理可以在基材表層獲得擴(kuò)大奧氏體相γN和γC，且不生成CrN。此外還可以觀察到在硬化層和基材之間出現(xiàn)一條窄窄的黑色過渡層，文獻(xiàn)[12,14]指出該過渡區(qū)是碳在奧氏體中的過飽和固溶相，產(chǎn)生的原因是離子滲N過程中，316L鋼本身含有的間隙碳原子被滲入的氮原子不斷擠壓形成。

圖1 不同離子硬化處理后316L鋼的表面硬化層形貌

2.2 滲層硬度

圖2為316L鋼經(jīng)PN和PNC處理后的表面硬度和截面硬度梯度變化。由圖2(a)可知，316L鋼的初始硬度為349 HV0.1，經(jīng)過PN和PNC處理后，表面硬度均顯著提高至1000 HV0.1以上。硬度增加主要是由于過飽和的N、C固溶引起奧氏體晶格的畸變，位錯密度增加，使基體的抗壓能力大幅增強(qiáng)。其中PN處理比PNC處理后的表面硬度略高，可能是由于PN處理過程中析出CrN，提高滲層表面硬度，PNC處理時，C元 素比N元素在硬化處理過程中穩(wěn)定性高，可能會抑止CrN的析出[15]，導(dǎo)致滲層表面硬度略微下降。由圖2(b)可知，從整體上看316L鋼經(jīng)PNC處理后的滲層硬度梯度較為平緩，而PN處理后的滲層硬度梯度較為陡峭。在表層(0～2.5 μm)PN處理的滲層硬度高于PNC，而次表層(2.5～15 μm) PNC處理的滲層硬度高于PN，且隨著滲層深度的增加，PN處理的滲層硬度梯度增大，滲層硬度迅速下降至接近基體硬度，而PNC處理的滲層硬度平緩下降至基材硬度。在滲層深度>15 μm時，PNC與PN處理的硬度接近基材316L鋼。不同硬化工藝滲層硬度的變化可能與滲層內(nèi)C、N元素的滲入深度、分布有關(guān)[13,15-16]，相對而言，316L鋼PNC處理后的滲層硬度梯度較為合理，有利于提高硬化層的附著力和耐磨性，對316L鋼基體具有更好的保護(hù)作用。

圖2 不同離子硬化工藝后316L鋼的表面硬度(a)和截面硬度梯度曲線(b)

2.3 耐腐蝕性

圖3為316L鋼經(jīng)PN和PNC處理后的中性鹽霧試驗結(jié)果。由圖3(a～c)可知，316L鋼經(jīng)過PN處理后表面嚴(yán)重腐蝕，耐蝕性惡化，而經(jīng)PNC處理后表面只有輕微腐蝕，耐腐蝕性得到提升。由圖3(d, e)可知，PN處理后316L鋼的硬化層在腐蝕后出現(xiàn)很多不規(guī)則黑色斑點和條紋，由外向內(nèi)延伸，表明試樣表面已經(jīng)完全被NaCl溶液腐蝕，這可能是由于PN過程中，N元素與不銹鋼表面Cr元素反應(yīng)形成CrN，造成試樣表面貧鉻，耐腐蝕性下降[17-18]。而PNC處理后試樣表面白亮層依然完整，中性鹽霧試驗未破壞表面硬化層，說明單獨的擴(kuò)大奧氏體相γN和γC相可使耐腐蝕性提高，因此，兩種硬化工藝處理后316L鋼耐腐蝕性能排序為316L+PNC>316L>316L+PN。

圖3 不同離子硬化工藝下316L鋼中性鹽霧試驗的表面(a～c)和硬化層(d, e)腐蝕形貌

圖4為316L鋼經(jīng)PN和PNC處理后的極化曲線，表3是根據(jù)極化曲線強(qiáng)極化部分經(jīng)過擬合分析得到的腐蝕電位與腐蝕速率。從表3可以看出，PN和PNC工藝處理的試樣腐蝕電位(vs SCE)分別為-233 mV和-75 mV，316L鋼經(jīng)PNC處理后的腐蝕電位高于PN處理。PN和PNC工藝處理的試樣腐蝕速率分別為54.2和1.4 μm·a-1，316L鋼PNC處理后的腐蝕速率低于PN處理。一般而言，材料的腐蝕電位越高，腐蝕速率越低，其耐腐蝕性傾向越小，因此316L鋼經(jīng)PNC處理后的耐腐蝕性優(yōu)于PN處理，與圖3中性鹽霧試驗結(jié)果一致。

圖4 不同離子硬化工藝下316L鋼的極化曲線

表3 不同離子硬化工藝下316L鋼的腐蝕電位與腐蝕速率

2.4 表面粗糙度

表4為316L鋼的表面粗糙度檢測結(jié)果。由表4可知，PN和PNC處理后，316L鋼試樣表面粗糙度分別為0.802和0.721 μm，對比技術(shù)要求0.4 μm，不能滿足要求，這可能是由于等離子體的濺射刻蝕作用導(dǎo)致。對PN和PNC處理后的試樣再進(jìn)行拋光，表面粗糙度分別降低至0.302和0.276，可滿足技術(shù)要求。

表4 不同離子硬化工藝下316L鋼的表面粗糙度

2.5 畸變量

由于316L鋼經(jīng)PN處理后的滲層硬度梯度分布不合理，且耐腐蝕性嚴(yán)重下降，不適合作為閥內(nèi)件的硬化方式，因此選擇PNC工藝對316L的閥內(nèi)件(球芯、閥座)進(jìn)行表面離子硬化處理，再經(jīng)過拋光處理，使表面粗糙度滿足要求。表5和表6分別為球芯和閥座在PNC處理前后的尺寸變化，可以看出，球芯和閥座的直徑、圓度幾乎未發(fā)生變化，處理后的零件尺寸依然滿足零件尺寸公差配合要求，不會造成畸變，不影響后續(xù)零件裝配。

表5 PNC 拋光處理前后的球芯尺寸

表6 PNC拋光處理前后的閥座尺寸

3 結(jié)論

1) 316L奧氏體不銹鋼PN、PNC處理工藝會導(dǎo)致表面粗糙度增大，但可通過拋光工藝使粗糙度降低至0.4 μm以下。

2) PN和PNC處理均可使316L鋼的表面硬度提高至1000 HV0.1以上，但PNC處理的滲層硬度梯度比PN處理后的平緩，更有利于提高基體硬度和耐磨性。

3) 316L鋼在低壓真空450 ℃離子硬化10 h， PN處理會產(chǎn)生CrN使耐腐蝕性下降，而PNC處理有利于提高耐腐蝕性。

4) 316L鋼球芯和閥座經(jīng)PNC處理后，零件尺寸依然滿足公差配合要求，適合作為閥門密封件的離子硬化工藝。