CN118241149A - 一种42CrMo合金表面渗氮的方法 - Google Patents
一种42CrMo合金表面渗氮的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118241149A CN118241149A CN202410376115.4A CN202410376115A CN118241149A CN 118241149 A CN118241149 A CN 118241149A CN 202410376115 A CN202410376115 A CN 202410376115A CN 118241149 A CN118241149 A CN 118241149A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitriding
- workpiece
- parts
- treatment
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 title claims abstract description 101
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 55
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 55
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 54
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 50
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims abstract description 23
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 11
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 6
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 26
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 15
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 14
- -1 monocyclic cycloalkanes Chemical class 0.000 claims description 14
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 14
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 13
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 13
- ZVCDLGYNFYZZOK-UHFFFAOYSA-M sodium cyanate Chemical compound [Na]OC#N ZVCDLGYNFYZZOK-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 13
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims description 12
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 9
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 7
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 claims description 7
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 claims description 7
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 claims description 7
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 claims description 7
- OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 2-n,2-n-dimethylpyridine-2,5-diamine Chemical compound CN(C)C1=CC=C(N)C=N1 OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910017569 La2(CO3)3 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- NZPIUJUFIFZSPW-UHFFFAOYSA-H lanthanum carbonate Chemical compound [La+3].[La+3].[O-]C([O-])=O.[O-]C([O-])=O.[O-]C([O-])=O NZPIUJUFIFZSPW-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 5
- 229960001633 lanthanum carbonate Drugs 0.000 claims description 5
- 239000002981 blocking agent Substances 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000004523 catalytic cracking Methods 0.000 claims 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 18
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 18
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 55
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 22
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 17
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 15
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 9
- 239000012459 cleaning agent Substances 0.000 description 8
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 8
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 7
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 7
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 6
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 5
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 5
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 4
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 4
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 4
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 229910001563 bainite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- GKKCIDNWFBPDBW-UHFFFAOYSA-M potassium cyanate Chemical compound [K]OC#N GKKCIDNWFBPDBW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- LPXPTNMVRIOKMN-UHFFFAOYSA-M sodium nitrite Chemical compound [Na+].[O-]N=O LPXPTNMVRIOKMN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 2
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- JZQOJFLIJNRDHK-CMDGGOBGSA-N alpha-irone Chemical compound CC1CC=C(C)C(\C=C\C(C)=O)C1(C)C JZQOJFLIJNRDHK-CMDGGOBGSA-N 0.000 description 1
- 239000003945 anionic surfactant Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000005279 austempering Methods 0.000 description 1
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 1
- YYXHRUSBEPGBCD-UHFFFAOYSA-N azanylidyneiron Chemical compound [N].[Fe] YYXHRUSBEPGBCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- XLJMAIOERFSOGZ-UHFFFAOYSA-M cyanate Chemical compound [O-]C#N XLJMAIOERFSOGZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 1
- 230000008570 general process Effects 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- 239000004323 potassium nitrate Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000003079 shale oil Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000010288 sodium nitrite Nutrition 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 description 1
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
本发明提出一种42CrMo合金表面渗氮的方法，属于钢材表面处理技术领域。所述方法包括如下步骤：1)将42CrMo合金进行清洗、预热，得到预处理工件；2)在渗氮炉中添加渗氮剂和稀土催渗剂，将预处理后的工件转入渗氮炉中进行基础渗氮；3)基础渗氮完成后，在渗氮炉中添加高温扩散渗剂，进行内扩散处理；4)内扩散完成后，将工件转入渗氧炉中进行渗氧处理；5)渗氧完成后，将工件进行淬火油进行冷却和相变；6)相变完成后，将工件进行封闭处理。本发明提供的表面渗氮方法可以有效提高42CrMo合金的耐腐性、耐蚀性和抗冲击韧性。
Description
技术领域
本发明属于钢材表面处理技术领域，尤其涉及一种42CrMo合金表面渗氮的方法。
背景技术
油气勘探开发目前正朝着深井、超深井以及页岩油气等方向发展，对钻井工具的要求也越来越高，要具有耐高压、耐高温、耐磨损、耐CO2、H2S等腐蚀性介质的综合能力，为此钻井工具虽然很多采用不锈钢材质加工和制造，但总体性能仍然达不到工况要求。
为了提高钻井工件的使用寿命，现有技术中通常对工件进行喷涂或电镀处理来进行强化，而该类方法虽然能提高工件的耐腐性及耐磨性，提高使用寿命，但是电镀硬铬工艺的镀铬层结合力差、易形成微裂纹；电火花法处理后的表面粗糙且效率低；爆炸喷涂制备的涂层结合力高，但表面更粗糙需要二次加工、工艺繁琐等。因此，提供一种有效提高工件耐腐性及耐磨性的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种42CrMo合金表面渗氮的方法，采用该渗氮方法对42CrMo合金表面进行渗氮处理后，可以使得42CrMo合金具有较高的耐蚀性、耐磨性和抗冲击韧性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种42CrMo合金表面渗氮的方法，包括如下步骤：
1)将42CrMo合金进行清洗、预热，得到预处理工件；
2)在渗氮炉中添加渗氮剂和稀土催渗剂，将预处理后的工件转入渗氮炉中进行基础渗氮；
3)基础渗氮完成后，在渗氮炉中添加高温扩散渗剂，进行内扩散处理；
4)内扩散完成后，将工件转入渗氧炉中进行渗氧处理；
5)渗氧完成后，将工件进行淬火油进行冷却和相变。
优选的，步骤2)中进行基础渗氮时的温度为580～600℃，时间为90～110min。
优选的，步骤2)中所述渗氮剂包括如下重量份的组分：氰酸钠50～54份、氰酸钾18～22份、氯化钾18～22份、元明粉4.5～5.5份和碳酸锂2.8～3.2份。
优选的，步骤2)中所述稀土催渗剂包括如下重量份的组分：氯化钇55～65份和碳酸镧35～45份。
优选的，步骤2)中所述渗氮剂和稀土催渗剂的质量比为90～95∶1～2。
优选的，步骤3)中所述高温扩散渗剂包括如下重量份的组分：碳酸钠38～42份、碳酸钾38～42份和氰酸钠18～22份。
优选的，步骤3)中内扩散处理时的温度为670～690℃，时间为55～65min。
优选的，步骤4)中渗氧处理用渗氧剂包括如下重量份的组分：氢氧化钠55～65份、碳酸钠23～27份和硝酸钠14～18份；渗氧处理时的温度为640～660℃，时间为55～65min。
优选的，步骤5)中相变完成后，将工件进行封闭处理。
优选的，所述封闭处理用封闭剂为：直链烷烃和单环环烷的混合物；封闭处理时的温度为170～190℃，时间为50～70min。
优选的，步骤1)中所述预处理的方式为：将钢材进行清洗、预热，得到预处理钢材；所述预热时的温度为390～410℃，时间为25～35min。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供的42CrMo合金表面渗氮的方法，利用熔盐渗剂进行渗入处理，使熔盐渗剂中的有效离子扩散进入材料内部，从而形成具有一定厚度的渗层，该渗层由致密氧化物层、具有梯度硬度变化的化合物层、含氮马氏体层和含氮α铁的扩散层组成，具有很高的耐磨性、耐蚀性和抗冲击韧性。
本发明提供的渗氮方法，具有双重渗氮温度，一阶段在工件形成氮势，二阶段在工件内部利用高温加速氮向工件内扩散，并在此温度区间形成含氮奥氏体层，在工件与熔盐界面形成低碳势，防止表面形成过多硬化相和疏松。三阶段高温渗氧，在氧化的同时保证含氮奥氏体不发生相变。四阶段相变冷却，含氮奥氏体部分转变成含氮马氏体。利用基础渗氮向工件提供氮源，利用高温内扩散和高温渗氮实现渗氧层和含氮奥氏体的形成，油冷相变实现含氮马氏体的转换。最终在化合物层和扩散层之间形成含氮马氏体。含氮马氏体和残余奥氏体的混合层可以缓和化合物层和扩散层之间的硬度，韧性更好。而且含氮马氏体可以对化合物层起支撑作用，进一步减少高硬度化合物层的裂纹产生。同时该方法还可以增加渗层整体厚度，从而提高材料表面的整体强度和耐磨性，同时还具备一定耐腐蚀性能。
附图说明
图1为实施例1中渗氮处理后的工件的渗层结构；
图2为实施例2中渗氮处理后的工件的渗层结构；
图3为实施例3中渗氮处理后的工件的渗层结构；
图4为对比例1中处理后的工件的渗层结构。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种42CrMo合金表面渗氮的方法，包括如下步骤：
1)将42CrMo合金进行清洗、预热，得到预处理工件；
2)在渗氮炉中添加渗氮剂和稀土催渗剂，将预处理后的工件转入渗氮炉中进行基础渗氮；
3)基础渗氮完成后，在渗氮炉中添加高温扩散渗剂，进行内扩散处理；
4)内扩散完成后，将工件转入渗氧炉中进行渗氧处理；
5)渗氧完成后，将工件进行淬火油进行冷却和相变。
本发明将42CrMo合金进行清洗、预热，得到预处理工件。在本发明中，所述清洗的方式优选为采用超声波+水基清洗剂对井下工具进行表面除油清洗，再经过清水漂洗和热水漂洗。在本发明中，所述预热时的温度优选为390～410℃，时间优选为25～35min。在本发明中，进行预热处理不仅可以将工件表面水分去除干净，而且还可以提高工件温度，防止冷件放入渗氮炉中形成熔盐结晶，并在工件表面形成少量氧化层，促进下一步渗氮。本发明对所述42CrMo合金的具体来源没有特殊限定，本领域的常规市售42CrMo合金材料即可，本发明实施例中的42CrMo合金材料购买自林州凤宝管业有限公司。本发明对所述水基清洗剂的具体来源没有特殊限定，采用本领域的常规市售产品即可。本发明实施例中的水基清洗剂为艾森ES503，主要成分阴离子表面活性剂(CAS#68439-50-9)，碳酸氢钠(CAS#144-55-8)和助剂。
得到预处理工件后，本发明在渗氮炉中添加渗氮剂和稀土催渗剂，将预处理后的工件转入渗氮炉中进行基础渗氮。在本发明中，所述渗氮剂优选包括如下重量份的组分：氰酸钠50～54份、氰酸钾18～22份、氯化钾18～22份、元明粉4.5～5.5份和碳酸锂2.8～3.2份。所述稀土催渗剂优选包括如下重量份的组分氯化钇55～65份和碳酸镧35～45份。所述渗氮剂和稀土催渗剂的质量比优选为90～95∶1～2。在本发明中，进行基础渗氮时的温度优选为580～600℃，时间优选为90～110min。在本发明中，进行基础渗氮时，将渗氮剂和稀土催渗剂进行结合，利用稀土催渗性能，将大量氮原子扩散进入工件内部，熔盐与工件表面处氮势含量在控制24～26％(以氰酸根含量表征)。
基础渗氮完成后，将工件吊至2号炉坩埚内进行扩散处理，2号坩埚内的渗剂全部都是高温扩散渗剂。在本发明中，所述高温扩散渗剂优选包括如下重量份的组分碳酸钠38～42份、碳酸钾38～42份和氰酸钠18～22份。在本发明中，所述高温扩散剂氮势低，高温热容比相对较高，在500～700℃区间加热，在高温条件下不易形成疏松。在本发明中，内扩散处理时的温度优选为670～690℃，时间优选为55～65min。
本阶段难点在于温度过高后，工件表面会形成大量疏松，因此需要选用低氮势的熔盐渗剂，控制工件表面致密性。本发明利用温度变化和渗剂的复合使用，同时实现了氮原子更均匀的扩散，抑制工件表面疏松和氮化物的形成，解决现有表面改性技术的矛盾点。在本发明中，在内扩散阶段，①工件表面氮原子浓度高于内部，扩散方向还是由表层向内部；②氮原子因环境温度提高，扩散系数大幅增加，会加速向工件内部扩散；③高温扩散剂提供氮势低，工件内部不会补充太多氮原子，工件内扩散的氮原子主要是基础渗氮阶段进入工件的固溶原子；④高的扩散系数将工件表面至内部的浓度梯度更平缓，浓度范围更深；⑤670～690℃处于铁氮奥氏体区域，在工件内部形成大范围的含氮奥氏体。
内扩散完成后，本发明将工件转入渗氧炉中进行渗氧处理。在本发明中，所述渗氧处理用渗氧剂优选包括如下重量份的组分：氢氧化钠55～65份、碳酸钠23～27份和硝酸钠14～18份；渗氧处理时的温度优选为640～660℃，时间优选为55～65min。
本发明提供的渗氧剂可在600～700℃之间处于稳定状态。
在本发明中，高温渗氧一方面可以使工件表层氧化，形成致密的Fe3O4；另一方面可以继续利用640～660℃的高温让氮原子尽可能多的向工件内部迁移，扩大含氮奥氏体的区域。
现有技术中常规的渗氧温度通常在400～450℃之间，且渗氧剂成分中含有硝盐。在这种条件下，即便是在渗氮过程中有含氮奥氏体的产生，但在渗氧阶段属于变相的等温淬火，含氮奥氏体部分转变为贝氏体。在原有渗氧体系中，介质含有硝盐，简单提高渗氧温度具有危险性，一般工艺手册中，都要求渗氧温度不得超过500℃。熔盐中的硝盐含量过多，就不能提高温度，否者会有爆炸的危险。本发明中提供的配方大幅降低硝盐的含量，从而可以让渗氧温度更高。
本发明中提供的渗氧处理方式，可在同一步骤下同时完成渗氧和内扩散过程，通过合理的渗氧温度和时间控制氮在工件次表面的迁移，又能将材料表面进行氧化。本发明抛开传统思路，创造性的将含氮固溶体的奥氏体化转变从单一的渗氮阶段扩大了渗氧阶段，避开渗氧过程带来的贝氏体相变缺点。加大了渗氮区域的厚度，提高了工件的韧性。
渗氧完成后，本发明将工件进行淬火油进行冷却和相变。在本发明中，所述冷却的温度优选为20℃～35℃，淬火油采用好富顿HOUGHTO-QUENCH K-2000专用淬火油，冷却到常温，时间优选为5～10min。在本发明中，通过淬火油进行相变，可以使得工件在内扩散和高温渗氧过程中形成的含氮奥氏体转变成含氮马氏体和残余奥氏体。与常规液体渗氮相比，渗层中增加了一层含氮马氏体层，硬度高于扩散层和基体，小于化合物层。该层的出现可以对工件表面的强度和韧性起到加强作用，也使得工件从表面到心部的硬度梯度变化更加平缓。含氮马氏体对化合物层的支撑作用大于扩散层，在化合物层硬度不变的情况下，化合物在磨损状态下产生的微裂纹和微缺陷越少，有含氮马氏体层的工件，耐磨性更强。
相变完成后，本发明将工件进行封闭处理。在本发明中，所述封闭处理用封闭剂优选为：直链烷烃和单环环烷的混合物；所述直链烷烃和单环环烷的质量比优选为3:2。在本发明中，所述封闭处理时的温度优选为170～190℃，时间优选为50～70min。在本发明中，进行封闭处理所选封闭剂为离子稳定剂，可以起到封闭前面工序中形成的微缺陷，从而减少工件表层摩擦系数。
在本发明中，完成全部工序后，最终的渗层结构从表面到心部如下：
1.氧化层，组成：Fe3O4
2.高硬层，组成：Fe2-3N
3.强化层，组成：含氮马氏体+残留奥氏体，少量Fe4N
4.扩散层，组成：含氮固溶体
5.基体。
本发明提供的表面渗氮处理后的42CrMo材料可以应用于钻井工具。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
各实施例中待处理工件为井下工具，井下工具的材质为42CrMo。
实施例1
采用超声波(功率50kW，时间60min)+水基清洗剂对工件进行表面除油清洗，再经过清水漂洗和热水漂洗后放入预热炉，进行预热处理，加热温度400℃，时间30min，得到预处理工件。
将预处理工件从预热炉放入到1号渗氮炉中，进行基础渗氮工序处理，熔盐与工件表面处氮势含量控制在24％～26％，(基础渗氮剂和稀土催渗剂的具体用量比例是93∶1)保温温度590℃，时间100min。(所选渗剂为渗氮剂+稀土催渗剂。其中渗氮剂由如下质量浓度的组分组成：氰酸钠52％，氰酸钾20％，氯化钾20％，元明粉5％和碳酸锂3％。稀土催渗剂由如下质量浓度的组分组成氯化钇55％和碳酸镧45％)。
将工件从1号渗氮炉放入到2号渗氮炉中，在2号渗氮炉中全部为高温扩散剂(其中，高温扩散剂由如下质量浓度的组分组成：碳酸钠40％、碳酸钾40％和氰酸钠20％)，在680℃保温60min进行内扩散工序处理。
将工件从2号渗氮炉放入到渗氧炉中，进行渗氧处理(渗氧剂由如下质量浓度的组分组成：氢氧化钠60％，碳酸钠25％，硝酸钠15％)，保温温度650℃，保温时间60min。
将渗氧处理后的工件通过淬火油进行冷却(温度为20℃～35℃，淬火油采用好富顿HOUGHTO-QUENCH K-2000专用淬火油，冷却到常温)和相变，工件在内扩散和高温渗氧过程中形成的含氮奥氏体转变成含氮马氏体和残余奥氏体。
将相变处理后的工件放入离子稳定炉中进行封闭工序处理(封闭剂由直链烷烃和单环环烷烃组成，两者质量比为3:2)，控制温度180℃，时间60min。
对渗氮处理后的工件的渗层结构进行测定，具体如图1所示，从表面到心部依次为：氧化层(组成：Fe3O4)、高硬层(组成：Fe2-3N)、强化层(组成：含氮马氏体+残留奥氏体，少量Fe4N)、扩散层(组成：含氮固溶体)、基体。
实施例2
采用超声波(功率50kW，时间60min)+水基清洗剂对工件进行表面除油清洗，再经过清水漂洗和热水漂洗后放入预热炉，进行预热处理，加热温度410℃，时间25min，得到预处理工件。
将预处理工件从预热炉放入到1号渗氮炉中，进行基础渗氮工序处理，熔盐与工件表面处氮势含量控制在24％～26％，(基础渗氮剂和稀土催渗剂的具体用量比例是90∶2)保温温度580℃，时间110min。(所选渗剂为渗氮剂+稀土催渗剂。其中渗氮剂由如下质量浓度的组分组成：氰酸钠52％，氰酸钾20％，氯化钾20.5％，元明粉4.5％，碳酸锂3％。稀土催渗剂由如下质量浓度的组分组成氯化钇60％和碳酸镧40％。)
将工件从1号渗氮炉放入到2号渗氮炉中，并在2号渗氮炉中全部为高温扩散剂(其中，高温扩散剂由如下质量浓度的组分组成：碳酸钠42％、碳酸钾40％和氰酸钠18％)，在670℃保温55min进行内扩散工序处理。
将工件从2号渗氮炉放入到渗氧炉中，进行渗氧处理(渗氧剂由如下质量浓度的组分组成：氢氧化钠55％，碳酸钠27％，硝酸钠18％)，保温温度650℃，保温时间60min。
将渗氧处理后的工件通过淬火油进行冷却(温度为20℃～35℃，淬火油采用好富顿HOUGHTO-QUENCH K-2000专用淬火油，冷却到常温)和相变，工件在内扩散和高温渗氧过程中形成的含氮奥氏体转变成含氮马氏体和残余奥氏体。
将相变处理后的工件放入离子稳定炉中进行封闭工序处理(封闭剂由直链烷烃和单环环烷烃组成，两者质量比为3:2)，控制温度185℃，时间55min。
对渗氮处理后的工件的渗层结构进行测定，具体如图2所示，从表面到心部依次为：氧化层(组成：Fe3O4)、高硬层(组成：Fe2-3N)、强化层(组成：含氮马氏体+残留奥氏体，少量Fe4N)、扩散层(组成：含氮固溶体)、基体。
实施例3
采用超声波(功率50kW，时间60min)+水基清洗剂对工件进行表面除油清洗，再经过清水漂洗和热水漂洗后放入预热炉，进行预热处理，加热温度390℃，时间35min，得到预处理工件。
将预处理工件从预热炉放入到1号渗氮炉中，进行基础渗氮工序处理，熔盐与工件表面处氮势含量控制在24％～26％，(基础渗氮剂和稀土催渗剂的具体用量比例是95∶1)保温温度600℃，时间90min。(所选渗剂为渗氮剂+稀土催渗剂。其中渗氮剂由如下质量浓度的组分组成：氰酸钠50％，氰酸钾22％，氯化钾20％，元明粉5％，碳酸锂3％。稀土催渗剂由如下质量浓度的组分组成氯化钇65％和碳酸镧35％。)
将工件从1号渗氮炉放入到2号渗氮炉中，并在2号渗氮炉中全部为高温扩散剂(其中，高温扩散剂由如下质量浓度的组分组成：碳酸钠39％、碳酸钾39％和氰酸钠22％)，在690℃保温65min进行内扩散工序处理。
将工件从2号渗氮炉放入到渗氧炉中，进行渗氧处理(渗氧剂由如下质量浓度的组分组成：氢氧化钠62％，碳酸钠23％，硝酸钠15％)，保温温度650℃，保温时间60min。
将渗氧处理后的工件通过淬火油进行冷却(温度为20℃～35℃，淬火油采用好富顿HOUGHTO-QUENCH K-2000专用淬火油，冷却到常温)和相变，工件在内扩散和高温渗氧过程中形成的含氮奥氏体转变成含氮马氏体和残余奥氏体。
将相变处理后的工件放入离子稳定炉中进行封闭工序处理(封闭剂由直链烷烃和单环环烷烃组成，两者质量比为3:2)，控制温度175℃，时间65min。
对渗氮处理后的工件的渗层结构进行测定，具体如图3所示，从表面到心部依次为：氧化层(组成：Fe3O4)、高硬层(组成：Fe2-3N)、强化层(组成：含氮马氏体+残留奥氏体，少量Fe4N)、扩散层(组成：含氮固溶体)、基体。
对比例1
采用超声波(功率50kW，时间60min)+水基清洗剂对工件进行表面除油清洗，再经过清水漂洗和热水漂洗后放入预热炉，进行预热处理，加热温度390℃，时间35min，得到预处理工件。
将预处理工件从预热炉放入到1号渗氮炉中，在580℃保温90min进行渗氮工序处理，熔盐与工件表面处氮势含量控制在24％～26％，所选渗剂为常规渗氮剂。其中渗氮剂由如下质量浓度的组分组成：氰酸钠42％，氯化钾40％，碳酸钾10％，元明粉5％，碳酸锂3％。
将工件从1号渗氮炉放入到渗氧炉中，进行渗氧处理(硝酸钠50％，亚硝酸钠30％，氢氧化钠10％，碳酸钠5％，硝酸钾5％，保温温度450℃，保温时间20min。
将渗氧处理后的工件进行空冷，空冷后进行表面清洗。
清洗后的工件放入离子稳定炉中进行封闭工序处理(封闭剂由直链烷烃和单环环烷烃组成，两者质量比为3:2)，控制温度175℃，时间65min。
对渗氮处理后的工件的渗层结构进行测定，具体如图4所示，从表面到心部依次为：氧化层(组成：Fe3O4)、高硬层(组成：Fe2-3N)、扩散层(组成：含氮固溶体)、基体，渗层中没有强化层。
对比例2
热浸锌处理
采用热碱去除工件在加工过程所带有的油污及其他原因所粘附的油污，再采用pH值不超过8的流动水漂洗除油。水清洗完毕后采用4wt％的硫酸去除工件表面锈蚀，露出金属基体。再采用清水刷洗以去除酸洗的工件所带的残留酸及铁离子(防止带入助镀液，刷洗时应使用pH值不小于5.5的水质)，得到预处理工件。
将预处理工件在浸助镀液(助镀液由浓度为60％氯化锌和浓度为40％的氯化氨)中浸泡2min后烘干。
将烘干的工件在450～480℃的锌液中浸泡3min，清理干净锌液面锌灰，浸用合金调试锌液至液面成镜面。待彻底反应后打灰出锅，并快速冷却。
将冷却后的工件放入钝化液，使工件表面形成一层钝化膜，以增加锌层的抗腐蚀能力。钝化结束后用清水去除工件表面残留清洗钝化液。
性能测试
1.模拟介质对未处理的工件、实施例1～3及对比例1～2的工件进行腐蚀性测试，每组测试3个工件，测量数据取平均值，具体测试结果如表1所示。
测试方法
测试项目：模拟介质腐蚀
试验温度：试验时，将从胜利油田的采出液通过水浴加热炉加热到65℃，模拟采出液在井下的温度对挂片进行腐蚀。
试验压力：由于考虑到压力对金属腐蚀的影响效果很小，故采用常压进行腐蚀试验。
静态腐蚀：将试验用挂片静止浸入采出液并悬挂，时间为15d。
表1模拟介质腐蚀结果
| 材料状态 | 腐蚀前重量(g) | 腐蚀后重量(g) | 失重(mg) |
| 未处理 | 14.6328 | 14.5964 | 36.4 |
| 对比例1 | 9.2473 | 9.2455 | 1.8 |
| 对比例2 | 9.2399 | 9.2376 | 2.3 |
| 实施例1 | 9.5811 | 9.5803 | 0.8 |
| 实施例2 | 9.5701 | 9.5696 | 0.5 |
| 实施例3 | 9.6628 | 9.6624 | 0.4 |
2.对未处理的工件、实施例1～3及对比例1～2的工件进行对海水的抗腐蚀性能测试。
具体操作为将未处理的工件及实施例1～3及对比例1～2处理后的工件放入质量分数为10％NaCl+H2O2(3g/L)的水溶液中，腐蚀30h后，倒掉溶液；重新配置溶液，继续试验，如此重复4次；120h后测量试样质量损失。模拟海水输送管道对海水的抗腐蚀性能。每组测试5个工件，测量数据取平均值，具体结果如表2所示。
表2对海水抗腐蚀性能结果
3.对未处理的工件、实施例1～3及对比例1～2的工件耐磨性能和冲击性能进行测试，具体结果如表3所示。
表3
| 冲击功(J) | 拉伸强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) | 磨损率(m3/m.N) | |
| 未处理工件 | 60 | 880 | 780 | 18 | 7.396×10-10 |
| 对比例1 | 45 | 870 | 775 | 16 | 9.872×10-12 |
| 对比例2 | 60 | 882 | 770 | 18 | 9.062×10-10 |
| 实施例1 | 50 | 877 | 810 | 15 | 4.534×10-14 |
| 实施例2 | 55 | 867 | 803 | 13 | 4.125×10-14 |
| 实施例3 | 53 | 890 | 821 | 14 | 4.087×10-14 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种42CrMo合金表面渗氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将42CrMo合金进行清洗、预热，得到预处理工件；
2)在渗氮炉中添加渗氮剂和稀土催渗剂，将预处理后的工件转入渗氮炉中进行基础渗氮；
3)基础渗氮完成后，在渗氮炉中添加高温扩散渗剂，进行内扩散处理；
4)内扩散完成后，将工件转入渗氧炉中进行渗氧处理；
5)渗氧完成后，将工件进行淬火油进行冷却和相变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中进行基础渗氮时的温度为580～600℃，时间为90～110min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述渗氮剂包括如下重量份的组分：氰酸钠50～54份、氰酸钾18～22份、氯化钾18～22份、
元明粉4.5～5.5份和碳酸锂2.8～3.2份。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述稀土催渗
剂包括如下重量份的组分：氯化钇55～65份和碳酸镧35～45份；所述渗氮
剂和稀土催渗剂的质量比为90～95∶1～2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述高温扩散渗剂包括如下重量份的组分：碳酸钠38～42份、碳酸钾38～42份和氰酸钠18～22份。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中内扩散处理时的温度为670～690℃，时间为55～65min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中渗氧处理用渗氧剂包括如下重量份的组分：氢氧化钠55～65份、碳酸钠23～27份和硝酸钠14～18份；渗氧处理时的温度为640～660℃，时间为55～65min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中相变完成后，将工件进行封闭处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述封闭处理用封闭剂为：直链烷烃和单环环烷的混合物；封闭处理时的温度为170～190℃，时间为50～70min。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述预处理的方式为：将钢材进行清洗、预热，得到预处理钢材；所述预热时的温度为390～410℃，时间为25～35min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410376115.4A CN118241149A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种42CrMo合金表面渗氮的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410376115.4A CN118241149A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种42CrMo合金表面渗氮的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118241149A true CN118241149A (zh) | 2024-06-25 |
Family
ID=91556026
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410376115.4A Pending CN118241149A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种42CrMo合金表面渗氮的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118241149A (zh) |
-
2024
- 2024-03-29 CN CN202410376115.4A patent/CN118241149A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0217421B1 (en) | Corrosion resistant steel components and method of manufacture thereof | |
| CN101353801A (zh) | 钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法 | |
| CN106191761B (zh) | 低温盐浴碳氮共渗剂及其在活塞杆表面处理中的应用 | |
| CN112359362B (zh) | 一种轴承钢酸洗磷皂化方法 | |
| CN108893706A (zh) | 气体氮碳共渗及后氧化复合处理工艺 | |
| WO2010056825A2 (en) | Ferric pickling of silicon steel | |
| US6576346B1 (en) | Composition and method for metal coloring process | |
| RU2721728C1 (ru) | Стальной элемент с модифицированной поверхностью, образованный путем пропитки никелем и цинком, и способ его изготовления | |
| Biró | Trends of nitriding processes | |
| CN113862610A (zh) | 一种提高渗碳层耐蚀性能的预处理方法 | |
| US5196075A (en) | Method for modifying and thereby improving the corrosion resistance and hardness of workpieces of ferritic steel | |
| RU2721730C1 (ru) | Стальной элемент с модифицированной поверхностью, образованный путем пропитки никелем и цинком, и способ его изготовления | |
| CN118241149A (zh) | 一种42CrMo合金表面渗氮的方法 | |
| CN102051572A (zh) | 钢件的表面渗硼处理方法 | |
| CN110004403B (zh) | 一种稀土改性多元复合盐浴离子渗处理工件的改性工业化方法 | |
| JPH04143263A (ja) | 硬質オーステナイト系ステンレスねじおよびその製法 | |
| CN114317898B (zh) | 一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法 | |
| CN1330167A (zh) | 粉末渗锌金属的加工方法及其产品 | |
| CN114686799A (zh) | 金属氮化、氧化然后还原的表面处理方法 | |
| JP3456761B2 (ja) | 鍍金処理代替用鋼部品の製造方法 | |
| CN104561873A (zh) | 一种基于表面预处理碳钢热浸铝工艺 | |
| JPH0978223A (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼表面の窒化処理方法 | |
| RU2186149C1 (ru) | Способ поверхностной обработки стальных и чугунных деталей (варианты) | |
| CN114686801B (zh) | 一种粉末渗锌助渗工艺 | |
| Lakhtin | Oxynitriding (nitrooxidizing) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |