鹽浴軟氮化工藝在燃氣輪機零件上的應用

張 進，宋 帆，丁麗鋒

（上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240）

近年來，隨著汽車行業、機械制造行業的飛速發展，一種鹽浴軟氮化工藝也迅速發展起來。同氣體氮化、離子氮化相比，該工藝有自己的優勢，如時間短、成本低、氮化層均勻、氮化后不需磨削加工，可直接進行裝配等。特別是對只需要局部區域氮化的零件，鹽浴軟氮化有無可比擬的優勢。上海汽輪機廠從西門子引進的E 級、F 級重型燃氣輪機中的許多馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和合金鋼零件都采用了鹽浴軟氮化表面處理。本文對這些材料進行了工藝試驗，并對氮化層性能以及生產中碰到的問題進行了分析和總結，為今后燃機零件的表面處理、加工及裝配提供參考。

1 試驗材料及試驗方法

根據產品的需要，選用了4種有代表性的材料 25Cr2MoVA、2Cr13、2Cr12MoV 和X8CrNiNb16－13，軟氮化前X8CrNiNb16－13經固溶處理，其它3種材料經調質處理，熱處理后加工成Φ8／Φ10×150mm 的圓棒試樣，表面粗糙度Ra≤1.6μm。

試樣在井式鹽浴爐中進行軟氮化處理，氮化完畢后，通過性能和微觀組織分析，從而找到最合適的工藝參數，為產品生產做準備。我們選取的軟氮化溫度分別為530±5℃、565±5℃、590±5℃，時間為90～240min，試樣軟氮化工藝流程如下：氮化前檢驗→脫脂→表面清洗→預熱→鹽浴軟氮化→冷卻→清洗。

2 試驗結果與分析

2.1 鹽浴軟氮化工藝參數對氮化深度的影響

圖1為25Cr2MoVA 鋼在不同工藝參數下進行鹽浴軟氮化后的顯微組織，可以看出，在相同的氮化時間內，隨著氮化溫度從530 ℃提高到590℃，化合物層（白亮層）的厚度隨之增加；但590℃鹽浴的試樣保溫150min后，表面粗糙度變差；在565℃的溫度下氮化，隨著氮化時間的延長，化合物層（白亮層）的厚度增加。通過氮化形貌可看出，氮化層的厚度均勻、一致。根據文獻［1］，若溫度過低，鹽浴的活性和流動性變差；若溫度過高，會導致滲速過快，產生的滲氮層不致密，影響工件的表面粗糙度，而且高溫會加速氮化熔鹽的老化。因此綜合考慮各種因素，本試驗鹽浴溫度控制在565℃左右，可獲得合適的滲速，且能縮短氮化時間，便于組織生產。

圖1 25Cr2MoVA 在不同溫度和時間軟氮化后的顯微組織（腐蝕后，×400，（a）、（b）、

2.2 不同材料的氮化層厚度

為了研究氮化層的脆性情況，按照GB／T11354－2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》測試，脆性為1級（見圖2），壓痕邊角規整。與常規氣體氮化不同，鹽浴軟氮化后在表面上形成了以Fe（2－3）N為主的ε相［2］氮化層，它幾乎沒有脆性，使零件的表層獲得耐磨、抗咬合、耐蝕和抗疲勞等優良特性，因此零件氮化后可以不需磨削加工，直接裝配使用。

采用金相法和硬度法測量了其滲層深度（取比基體維氏硬度高50HV 處的垂直距離作為滲氮層深度），結果見表1，為了便于區分，將化合物層與基體之間的過渡區稱為擴散層，總滲層為化合物層深度和擴散層深度之和?？梢钥闯?，低合金鋼獲得的總滲層最深，且過渡層也較深，比較容易氮化。

圖2 2Cr12MoV 和X18CrNiNb16－13材料軟氮化后的氮化層厚度測試

表1 不同材料軟氮化后的滲層硬度對比（HV0.1） 單位：μm

2.3 不同材料的氮化層硬度

我們研究了 25Cr2MoV、2Cr13、X8CrNiNb16－13三種材料鹽浴軟氮化后硬度變化情況，結果見表2 和圖3。材料的軟氮化工藝為565℃×90min。對比可以看出，鹽浴軟氮化對低合金鋼、馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼均可行，對材料的適應性強。特別是對于奧氏體不銹鋼，氮化后可以顯著提高材料的表面硬度。

表2 不同材料軟氮化后的滲層硬度梯度測試數據（HV0.1） 單位：μm

圖3 25Cr2MoVA、2Cr13和X18CrNiNb16－13材料氮化層硬度比較

2.4 鹽浴軟氮化后的變形

在我廠燃機零件的實際生產中，有一些墊片、鎖環、板及圓筒類的零件需要進行鹽浴軟氮化，這些零件形狀各異，尺寸從10～1 000mm 不等，其中有些零件有很高的加工以及裝配精度要求，因此我們研究了不同零件軟氮化前后的尺寸變化情況。

選取了有代表性的材料和工藝，測量了試樣軟氮化前后的尺寸，每個試樣測試3次取平均值，結果見表3。對比可以看出，隨著氮化時間從90 min到240min，試樣外圓直徑尺寸有所增加，但變化值都很小，基本處于零件圖樣規定的公差范圍內（0.1mm 以下）。其中2Cr12MoV 材料數據為本廠圓筒形零件經局部鹽浴軟氮化后測試的結果，單面膨脹量在30μm 以內（設計要求圓環壁厚14.4－0.2mm），遠小于零件規定的公差極值。

表3 不同材料軟氮化后尺寸數據測試值

雖然鹽浴軟氮化造成的變形很小，但是對于一些有緊密配合和較高公差要求的零件，仍需注意氮化后的變形問題。例如某燃氣輪機壓氣機軸承座中的墊片（見圖4），材料為X8CrNiNb16－13，尺寸為224×100×10mm，設計要求上、下表面裝配時的平面度≤20μm，試生產時加工了6塊墊片，鹽浴軟氮化后變形超差達60～100μm，經返修后仍然超差。經分析，變形原因是由于材料為奧氏體不銹鋼，固溶后的硬度只有130HV，零件比較薄，剛性不足，機加工后零件內部產生了較大的殘余應力，在鹽浴軟氮化后應力釋放，造成零件變形。

圖4 X8CrNiNb16－13墊片的尺寸測量

為了解決變形超差的問題，對工藝進行了調整，將除應力處理前保留的加工余量減小，同時提高除應力的溫度，使零件因加工產生的內部殘余應力消除得更徹底；其次改進機加工工藝，工件在銑削完表面后，上下表面反復多次磨削加工，控制平面度，鹽浴軟氮化后再次測量變形量，最終結果滿足了設計要求。

2.5 氮化零件的耐腐蝕性

燃機中軟氮化的零件工作在一定壓力的和濕度的蒸汽環境中，要求有一定的耐腐蝕性能。為此，我們對鹽浴軟氮化前后的材料進行了腐蝕性能測試，試驗按照ASTM B117－2009鹽霧試驗標準進行。圖5 為25Cr2MoVA 鋼經72h 中性鹽霧試驗后的圖片，可以看出氮化后的試樣未出現銹跡，未氮化試樣則出現嚴重銹蝕。試驗結果表明，對于合金鋼零件，經過鹽浴軟氮化后，表面形成的氮化層可提高材料的耐腐蝕性。

表4 25Cr2MoVA 軟氮化前后的鹽霧腐蝕性能對比

3 結論

本文通過一系列工藝試驗和對比測試分析，獲得了4種材料鹽浴軟氮化的最佳工藝參數：鹽浴溫度565℃左右，保溫時間2～3h。通過鹽浴軟氮化前后的尺寸測量，證明了零件軟氮化后尺寸變化很小，對于加工精度要求高的零件，可通過氮化前的機加工和熱處理工藝進行殘余應力控制，從而減小氮化后的變形。

本文對比了馬氏體耐熱不銹鋼、奧氏體不銹鋼和低合金鋼材料的鹽浴軟氮化層的性能，積累了氮化層的部分基礎數據，可為今后類似材料的加工、鹽浴軟氮化、檢驗及裝配提供參考。

［1］潘健生，胡明娟.熱處理工藝學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］王忠誠，王東，李揚.內燃機氣門的新型液體軟氮化鹽?。跩］.熱處理技術與裝備，2011，32（3）：46－51.