CN111647844A - 一种主轴抗蚀的复合氮化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主轴抗蚀的复合氮化方法，尤其涉及一种34CrNi3Mo主轴抗蚀的复合氮化方法，其步骤为：1、预先热处理调质：880℃保温4小时，出炉风冷；870℃保温4小时，于18‑23℃水中淬火，580‑590℃回火6‑8小时；2、复合氮化方法：350℃（吹空气，预氧化）‑480℃(吹氮气,氮化）‑570℃（吹氨气，吹二氧化碳，氮化）‑520℃（吹空气，后氧化）‑200（吹氮）‑出炉。本发明的有益效果是：复合氮化法形成的复合层从外至里依次为：氧化膜、白亮层、扩散层和基体，表面的氧化膜具有很好的耐腐蚀功能，白亮层结构致密，具有优良的防腐和耐磨功能。34CrNi3Mo顶驱主轴的不合格率降至0.3%以下，使用寿命延长2‑5倍工作小时数，每年可以节省主轴因材料早期失效带来的数百万元经济损失。

Description

一种主轴抗蚀的复合氮化方法
技术领域
本发明涉及一种主轴抗蚀的复合氮化方法，尤其涉及一种34CrNi3Mo主轴抗蚀的复合氮化方法，属于金属热处理技术领域。
背景技术
石油钻井的顶驱主轴以及相关重要零件接头和防喷器，工作环境恶劣，经常出现主轴等重要零件的开裂失效问题，每一次失效后维修、停机、相关的检验失效分析总计损失以百万元计算，所以急需研制一种新的方法解决主轴的耐腐蚀问题，提高主轴的合格率和使用寿命，减少主轴的维修和正常的更换次数，减少经济损失。
目前对既要耐磨又要耐蚀的零件表面处理方法有：电镀硬铬、QPQ、离子氮化和复合氮化方法，电镀硬铬是40年代的技术，成本较低，但会导致严重的环境污染；QPQ主要是60年代使用的技术，耐磨抗腐蚀，生产周期短，成本低，QPQ技术最大的问题是污染（含微量氰化物的废水处理、工作环境较差，以及废盐的处理等），国家现在已不提倡推广QPQ技术；80年代开始人们开始使用离子氮化技术，离子氮化技术操作要求非常严格，否则很容易导致溢度不均匀和弧光放电，而影响氮化质量。目前复合氮化方法得到了广泛的应用，复合氮化方法是复合表面处理技术的一种，就是同时使用两种或两种以上的表面处理工艺，以达到进一步强化表面性能的目的，复合氮化具有表面硬度更高，耐腐蚀性更好，相对更加环保。本方法讨论的复合氮化工艺步骤是：预氧化-氮化-后氧化。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种主轴抗蚀的复合氮化方法，以34CrNi3Mo主轴为例，其步骤为：
1、预先热处理调质：
880℃保温4小时，出炉风冷；870℃保温4小时，于18-23℃水中淬火，580 -590℃回火6-8小时；
2、复合氮化处理：
（1）使炉压保持10KPa，10分钟内升温到350℃，启动预氧化功能，炉压保持5KPa，吹空气35分钟，关闭预氧化功能；
（2）使炉压保持10KPa，5分钟内继续升温到480℃，炉压保持15KPa，吹氮气4分钟，氮气浓度为2m3/h；
（3）使炉压保持15KPa，10分钟内继续升温到570℃，升温同时吹入氨气和二氧化碳，其中氨气浓度为1m3/h，二氧化碳浓度为20m3/h；在570℃，炉压保持15KPa，吹氨气和二氧化碳270分钟,其中氨气浓度为2m3/h，二氧化碳浓度为10m3/h；
（4）使炉压保持15KPa，降温同时吹入氮气，1分钟内降温到520℃，降温同时吹入氮气浓度为4m3/h；在520℃，启动后氧化功能，使炉压保持15KPa，吹空气120分钟后，关闭后氧化功能；
（5）炉压保持8KPa，降温同时吹氮气30分钟，吹入的氮气浓度为4m3/h，继续降温到200℃；完成复合氮化工艺，出炉。
氮化设备采用真空可控气氛氮化装置及配套。
本发明的有益效果是：复合氮化法形成的复合层从外至里依次为：氧化膜、白亮层、扩散层和基体，表面的氧化膜具有很好的耐腐蚀功能，白亮层结构致密，具有优良的防腐和耐磨功能；而一般现有的氮化法形成的复合层从外至里依次为：疏松层、白亮层、扩散层和基体，由于现有的淡氮化方法，气氛不可控，气氛中CNO较高，渗层表面的疏松较严重，疏松层对渗层的机械性能产生不利的影响，防腐和耐磨性能有所降低。
目前石油钻井的34CrNi3Mo顶驱主轴的不合格率约为2%，应用本发明的方法使34CrNi3Mo顶驱主轴的不合格率降至0.3%以下，使用寿命延长2-5倍工作小时数，每年可以节省主轴因材料早期失效带来的数百万元经济损失，同时减少主轴的维修和正常的更换次数。
附图说明
图1为34CrNi3Mo顶驱主轴复合氮化后的组织结构及作用。
图2为34CrNi3Mo主轴复合氮化工艺图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
一种主轴抗蚀的复合氮化方法，以34CrNi3Mo主轴为例，其步骤为：
1、预先热处理
为了保证渗氮零件心部具有必要的力学性能（也称机械性能），消除内应力，提高渗氮效果，良好的原始组织和减少尺寸变化，零件渗氮前必须进行不同的预先热处理。34CrNi3Mo主轴复合氮化前的预先热处理工艺是调质。
预先热处理调质： 880℃保温4小时，出炉风冷；870℃保温4小时 ，于18-23℃水中淬火，580 -590℃回火6-8小时，调质的回火温度至少要比渗氮温度高10℃（一般高20~40℃）。得到基体硬度HV320～350。
回火温度越高，工件硬度越低，基体组织中的碳化物弥散度愈小，渗氮时氮原子易渗入，渗氮层厚度也愈厚，但渗层硬度也愈低。因此，回火温度应根据对基体性能和渗层性能的要求综合确定。调质后理想的组织是细小均匀分布的索氏体组织，不允许存在粗大的索氏体组织，也不允许有较多的游离铁素体存在。
主轴调质要达到以下性能指标：
Figure 784374DEST_PATH_IMAGE002
Akv由三次试验的平均值确定：在-20℃下三个试样的平均冲击韧性值Akv应不小于80J，且单个试样冲击韧性值不低于75J。-45℃下试验时，三个试样的平均冲击韧性值Akv应不小于55J，且单个试样冲击韧性值不低于45J。
2、复合氮化处理：
（1）使炉压保持10KPa，10分钟内升温到350℃，启动预氧化功能，炉压保持5KPa，吹空气35分钟，关闭预氧化功能；
（2）使炉压保持10KPa，5分钟内继续升温到480℃，炉压保持15KPa，吹氮气4分钟，氮气浓度为2m3/h；
（3）使炉压保持15KPa，10分钟内继续升温到570℃，升温同时吹入氨气和二氧化碳，其中氨气浓度为1m3/h，二氧化碳浓度为20m3/h；在570℃，炉压保持15KPa，吹氨气和二氧化碳270分钟,其中氨气浓度为2m3/h，二氧化碳浓度为10m3/h；
（4）使炉压保持15KPa，降温同时吹入氮气，1分钟内降温到520℃，降温同时吹入氮气浓度为4m3/h；在520℃，启动后氧化功能，使炉压保持15KPa，吹空气120分钟后，关闭后氧化功能；
（5）炉压保持8KPa，降温同时吹氮气30分钟，吹入的氮气浓度为4m3/h，继续降温到200℃；完成复合氮化工艺，出炉。
经上述方法处理后，34CrNi3Mo主轴达到以下技术指标：
（1）硬度大于HV0.3 560
（2）氮化白亮层小于20um
（3）氮化层深0.2-0.3mm
（4） 氧化层 1-2 um
（5）脆性小于等于2级
（6）疏松小于等于2级
（7）氮化物等级小于等于2级。
3、34CrNi3Mo主轴复合氮化工艺试验结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
结论：34CrNi3Mo主轴复合氮化工艺方法，达到了技术要求的各项技术指标，该热处理工艺取得完满成功，其工艺方法能够用于提高34CrNi3Mo主轴表面的防腐、耐磨功能的实际生产应用。

Claims (1)

1.一种主轴抗蚀的复合氮化方法，其步骤为：
首先，预先热处理调质：880℃保温4小时，出炉风冷；870℃保温4小时，于18-23℃水中淬火，580 -590℃回火6-8小时；
然后进行复合氮化处理：
（1）使炉压保持10KPa，10分钟内升温到350℃，启动预氧化功能，炉压保持5KPa，吹空气35分钟，关闭预氧化功能；
（2）使炉压保持10KPa，5分钟内继续升温到480℃，炉压保持15KPa，吹氮气4分钟，氮气浓度为2m3/h；
（3）使炉压保持15KPa，10分钟内继续升温到570℃，升温同时吹入氨气和二氧化碳，其中氨气浓度为1m3/h，二氧化碳浓度为20m3/h；在570℃，炉压保持15KPa，吹氨气和二氧化碳270分钟,其中氨气浓度为2m3/h，二氧化碳浓度为10m3/h；
（4）使炉压保持15KPa，降温同时吹入氮气，1分钟内降温到520℃，降温同时吹入氮气浓度为4m3/h；在520℃，启动后氧化功能，使炉压保持15KPa，吹空气120分钟后，关闭后氧化功能；
（5）炉压保持8KPa，降温同时吹氮气30分钟，吹入的氮气浓度为4m3/h，继续降温到200℃；完成复合氮化工艺，出炉。
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