CN105695923A - 一种钢质气阀离子氮的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢质气阀离子氮化的加工方法，包括1)溅射；2)第一段离子氮化；3)第二段离子氮化；4)炉冷至≤150℃出炉空冷等步骤。本发明成功解决了X33CrNiMnN23-8钢制气阀氮化的三个技术难题，不仅氮化速度明显提高，氮化时间缩短近一半，还省去了氮化前的抛光工序，降低了生产成本；而且氮化质量稳定并显著提高，氮化层深度和硬度比传统工艺要均匀得多、脆性也明显改善、氮化面无鼓包和剥落现象。经实际应用，用新工艺氮化的X33CrNiMnN23-8气阀己无不合格品，经用户装机使用证实，该气阀的耐磨性、疲劳强度和使用寿命比过去显著提高。

Description

一种钢质气阀离子氮的加工方法

技术领域

本发明涉及一种钢质气阀离子氮化的加工方法。

背景技术

X33CrNiMnN23-8钢制气阀是柴油机心脏的关键运动件之一，又是它的基础零件和消耗零件。

作为心脏运动件，它是决定柴油机性能与可靠性的关键运动件。

作为基础件，它对柴油机起着十分重要的作用。

气阀在使用过程中失效，将直接导致气缸、活塞、增压器等零部件变形或损坏等严重后果。

由于气阀是消耗品，位居心脏，更换时柴油机需要解体，耗工费时，在使用过程中如果发生故障，必定造成停车事故，特别是船用柴油机，气阀失效造成的经济损失将会更大。

为了提高气阀的耐磨性、疲劳强度和使用寿命，我国引进某发达国家设计的某机型气阀，采用X33CrNiMnN23-8钢制造，要求阀杆用氮化(工艺要求氮化层深≥0.10mm，氮化硬度750-950HV1，脆性≤2级)的工艺方法提高性能。

由于X33CrNiMnN23-8钢的平均含铬量高达23％，经固溶+时效处理后，基体奥氏体组织中有大量的铬原子，在气阀氮化前的生产过程中，由于多种原因，有部分铬原子被氧化，形成厚薄不均匀的氧化膜。这层氧化膜非常致密，对氮原子渗入有显著阻碍作用。因此，氮化后经常出现氮化层深度极不均匀，有的部位甚至几乎没有氮化层，导致氮化经常返工。为了提高氮化质量，生产厂家在氮化前采用酸洗、喷砂、砂纸打磨、抛光等方法除去氧化膜。在实际生产过程中，由于条件限制，即使用上述方法己把钝化膜全部去除，但随后由于与空气接触的时间长短不等，又会有产品生成新的不同程度的氧化物。即：氮化时工件表面或多或少存在着肉眼不可见的严重阻碍氮化的致密氧化物，使该材料氮化层深度和硬度很不均匀。

X33CrNiMnN23-8气阀氮化的第二个技术难题是：当氮化层深度达到技术要求的≥0.10mm以后，氮化硬度经常超过技术要求750-950HV1，有时甚至高达1100HV1以上，脆性也常常是1-3级(工艺要求脆性≤2级)。

第三个技术难题是：由于氮化时炉内氮势很难掌控，氮化层中的组织应力大，再加上有氢原子渗入，氢原子结合成氢分子后，与组织应力共同作用，有时会在X33CrNiMnN23-8氮化层较深的部位出现鼓包，严重时氮化层要剥落，从而引起报废。

上述三个共性问题一直是困扰生产X33CrNiMnN23-8气阀的每个公司的技术难题，因为它经常导致氮化工序返工、甚至报废。

工业上用于生产这种气阀的氮化方法有：气体氮化、盐浴氮化和离子氮化。

气体氮化时，为了进一步去除X33CrNiMnN23-8钢表面的氧化物，常在炉中放入NH4Cl，希望能将氧化物还原。但NH4Cl对设备有不利影响，用多了危害设备，用少了还原气阀氧化物的效果差，因为每炉产品的氧化程度和数量不相同，所以，NH4Cl的用量难掌握。更严重的问题是气体氮化该材料的速度太慢了，生产成本太高，氮化后硬度和脆性经常超差，氮化面容易鼓包，有时还会剥落。所以，该产品在实际生产中很少采用气体氮化。

如果用盐浴氮化，也存在着氮化质量极不稳定，非氮化面难保护，而且X33CrNiMnN23-8钢制气阀氮化的前述三个共性难题仍然存在。所以，这种气阀也很少用盐浴氮化。

相对而言，离子氮化更适合于该产品，但传统的离子氮化工艺(抛光后清洗干净、装炉、启辉升温、逐渐加大供氨量至0.9-1.0L/min、升温至620-630℃、炉压340-400Pa、电压580-650V、保温35小时、炉冷至≤150℃出炉空冷)对溅射氧化物的速度慢、效果差。氮化层深度经常在0.04-0.15mm范围内，硬度常为660-1170HV1，脆性1-3级，氮化质量极不稳定，有时还有鼓包和剥落现象。即：前述三个技术难题仍未解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮化速度快、氮化质量稳定的钢质气阀离子氮化加工方法。

本发明的技术方案如下：一种钢质气阀离子氮化的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)溅射：将气阀清洗干净、装炉、抽真空、启辉后，逐渐向炉内加入氩气、升温至630-640℃保温1-3小时，保温过程中电压为780-830V、氩气供给量为0.2-0.25L/min、炉内压强为60-80Pa；

2)第一段离子氮化：溅射完毕，降温至590-600℃保温5-7小时，此步骤保温过程中电压为580-630V、氨气供给量为1.1-1.2L/min、炉内压强为340-400Pa；

3)第二段离子氮化：升温至630-640℃保温10-12小时，此步骤保温过程中电压为660-720V、氩气供给量为0.5-0.6L/min、氨气供给量为0.6-0.7L/min、炉内压强为340-400Pa；

4)炉冷至≤150℃出炉空冷。

本发明的目的在于：

1、在离子氮化炉内，首先快速、彻底溅射干净X33CrNiMnN23-8气阀氮化面上的氧化膜，增加位错深度，提高氮化速度、使氮化层深度和硬度均匀；

2、用一种新的离子氮化工艺，合理且方便地分段控制炉内氮势，在保证比传统工艺的氮化速度更快的条件下，使氮化硬度和脆性满足技术要求；

3、控制氮化层的氮浓度梯度，使组织应力降低，并减少氢原子渗入量，避免氮化面鼓包和剥落。

本发明与传统工艺相比较，不仅可突破X33CrNiMnN23-8气阀离子氮化的三个技术瓶颈，降低生产成本，而且还可显著提高气阀的疲劳强度和使用寿命。

本发明的基本原理是：将气阀清洗干净、装炉，抽真空后加入适量氩气，启辉升温至较高温度，用高电压、低气压溅射氮化面一段时间，在此过程中只加入少量氩气，使炉压维持在60-80Pa。氩原子在高压电场作用下被电离为带正电荷的氩离子，由于炉内气体比传统工艺(炉压340-400Pa)稀薄很多，氩离子在向阴极运动的过程中，与其它微粒碰撞的机会显著减少，被加速的距离增长、动能更大、轰击气阀表面氧化物的能量比传统工艺大得多。所以，氧化物更容易被快速、彻底溅射干净。与此同时，因受高能氩离子碰撞，被撞击处的位错深度明显增加。洁净而又有活性的氮化面，再加上较深的位错，对提高离子氮化速度极其有利。

溅射完毕，降温至590-600℃开始第一阶段离子氮化。此时向炉内通入较多氨气，增大炉内压强，提高电流密度，用高氮势使工件表面获得大量细小、高度弥散分布的含氮化合物，提高氮浓度梯度，为氮原子在第二阶段快速渗入工件创造条件。第二阶段用630-640℃进行氮化，这时需要加入适量氩气，减少氨气供给量，降低炉内氮势。通过离子轰击渗入与扩散，使氮化层中的金相组织合理分布，在保证氮化层深度满足工艺要求的同时，氮化硬度和脆性也符合技术要求。

经过两段氮化，氮化层中的氮浓度梯度下降平缓，组织应力降低，再加上炉内通入不会渗入工件的氩气，在其它条件相同的条件下，因炉内氢离子及原子占比减少，渗入氮化层中的氢原子也自然减少。由于组织应力和氢含量同时降低，可避免氮化层鼓包和剥落。

本发明生产的X33CrNiMnN23-8气阀离子氮化质量检测：用金相显微镜测氮化层深度、维氏硬度计测氮化硬度和脆性、目测氮化面外观质量。

经上述方法氮化后的X33CrNiMnN23-8气阀，氮化层深为0.11-0.14mm，硬度783-942HV1、脆性1-2级，无鼓包和剥落现象。

作为优选，步骤1)中的保温时间为2小时，步骤2)中的保温时间诶6小时，步骤3)中的保温时间为11小时。

有益效果：本发明成功解决了X33CrNiMnN23-8钢制气阀氮化的三个技术难题，不仅氮化速度明显提高，氮化时间缩短近一半，还省去了氮化前的抛光工序，降低了生产成本；而且氮化质量稳定并显著提高，氮化层深度和硬度比传统工艺要均匀得多、脆性也明显改善、氮化面无鼓包和剥落现象。经实际应用，用新工艺氮化的X33CrNiMnN23-8气阀己无不合格品，经用户装机使用证实，该气阀的耐磨性、疲劳强度和使用寿命比过去显著提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

钢质气阀离子氮化的加工方法，包括以下步骤：

1)溅射：将气阀清洗干净、装炉、抽真空、启辉后，逐渐向炉内加入氩气、升温至630℃保温1小时，保温过程中电压为780-820V、氩气供给量为0.25L/min、炉内压强为60-65Pa；

2)第一段离子氮化：溅射完毕，降温至600℃保温5小时，此步骤保温过程中电压为580-610V、氨气供给量为1.1L/min、炉内压强为340-360Pa；

3)第二段离子氮化：升温至630℃保温12小时，此步骤保温过程中电压为660-700V、氩气供给量为0.6L/min、氨气供给量为0.6L/min、炉内压强为340-360Pa；

4)炉冷至≤150℃出炉空冷。

用金相显微镜测氮化层深度为0.12-0.13mm，维氏硬度计测氮化硬度是834-873HV1、脆性1级，目测氮化面无鼓包和剥落。

实施例2

钢质气阀离子氮化的加工方法，包括以下步骤：

1)溅射：将气阀清洗干净、装炉、抽真空、启辉后，逐渐向炉内加入氩气、升温至635℃保温2小时，保温过程中电压为790-820V、氩气供给量为0.22L/min、炉内压强为70-75Pa；

2)第一段离子氮化：溅射完毕，降温至595℃保温6小时，此步骤保温过程中电压为590-620V、氨气供给量为1.15L/min、炉内压强为360-380Pa；

3)第二段离子氮化：升温至635℃保温11小时，此步骤保温过程中电压为680-700V、氩气供给量为0.55L/min、氨气供给量为0.65L/min、炉内压强为360-380Pa；

4)炉冷至≤150℃出炉空冷。

用金相显微镜测氮化层深度为0.11-0.13mm，维氏硬度计测氮化硬度是892-939HV1、脆性1-2级，目测氮化面无鼓包和剥落。

实施例3

钢质气阀离子氮化的加工方法，包括以下步骤：

1)溅射：将气阀清洗干净、装炉、抽真空、启辉后，逐渐向炉内加入氩气、升温至640℃保温3小时，保温过程中电压为810-830V、氩气供给量为0.2L/min、炉内压强为70-80Pa；

2)第一段离子氮化：溅射完毕，降温至590℃保温7小时，此步骤保温过程中电压为610-630V、氨气供给量为1.2L/min、炉内压强为380-400Pa；

3)第二段离子氮化：升温至640℃保温10小时，此步骤保温过程中电压为700-720V、氩气供给量为0.5L/min、氨气供给量为0.7L/min、炉内压强为380-400Pa；

4)炉冷至≤150℃出炉空冷。

用金相显微镜测氮化层深度为0.13-0.14mm，维氏硬度计测氮化硬度是787-829HV1、脆性1级，目测氮化面无鼓包和剥落。

Claims (2)

1.一种钢质气阀离子氮化的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)溅射：将气阀清洗干净、装炉、抽真空、启辉后，逐渐向炉内加入氩气、升温至630-640℃保温1-3小时，保温过程中电压为780-830V、氩气供给量为0.2-0.25L/min、炉内压强为60-80Pa；

2)第一段离子氮化：溅射完毕，降温至590-600℃保温5-7小时，此步骤保温过程中电压为580-630V、氨气供给量为1.1-1.2L/min、炉内压强为340-400Pa；

3)第二段离子氮化：升温至630-640℃保温10-12小时，此步骤保温过程中电压为660-720V、氩气供给量为0.5-0.6L/min、氨气供给量为0.6-0.7L/min、炉内压强为340-400Pa。

4)炉冷至≤150℃出炉空冷。

2.根据权利要求1所述的一种钢质气阀离子氮化的加工方法，其特征在于：步骤1)中的保温时间为2小时，步骤2)中的保温时间诶6小时，步骤3)中的保温时间为11小时。