通过正交试验，科学验证了影响渗速【xiǎng shèn sù】以及渗氮层硬度、耐蚀性的两大因素为温度以【wēn dù yǐ】及是否【jí shì fǒu】进行抛【jìn háng pāo】丸处理【wán chù lǐ】，通过抛丸处理【wán chù lǐ】在加快【zài jiā kuài】渗速的【shèn sù de】同时有效地解决了离子渗氮清洁度【qīng jié dù】要求高【yào qiú gāo】的问题【de wèn tí】。并对各个主要【gè zhǔ yào】影响因素对渗氮层厚【dàn céng hòu】度、显微硬【xiǎn wēi yìng】度、耐蚀性的影响【de yǐng xiǎng】进行了进一步地研究：随温度【suí wēn dù】升高，渗氮层厚【dàn céng hòu】度、显微硬【xiǎn wēi yìng】度降低，耐蚀性提高，综合考【zōng hé kǎo】虑 530℃左右为 N80 钢的最佳渗氮温度【wēn dù】；抛丸时【pāo wán shí】间越长，渗氮层厚【dàn céng hòu】度越大，表面显【biǎo miàn xiǎn】微硬度越大，耐蚀性先降低后增大【hòu zēng dà】，但抛丸时【pāo wán shí】间过长，显微硬【xiǎn wēi yìng】度出现【dù chū xiàn】陡降，影响渗氮层性【dàn céng xìng】能，因而 9min 为N80 钢的最佳抛丸时【pāo wán shí】间；氮氢比【dàn qīng bǐ】不同，炉内气氛不同，活性氮【huó xìng dàn】原子量不同，造成渗【zào chéng shèn】氮层性【dàn céng xìng】能以及【néng yǐ jí】抛丸对渗氮效【shèn dàn xiào】果产生影响。

    0、引言：

    目前深井开采对油管的质量提出了更高的【gèng gāo de】要求，尤其是深井中CO2、H2S 气体的【qì tǐ de】存在，使得油管腐蚀【guǎn fǔ shí】越来越严重【yán chóng】。根据油管的各种表面处理技【chù lǐ jì】术及现场应用【chǎng yīng yòng】情况[1],渗氮技术应用【shù yīng yòng】前景乐观，但油管【dàn yóu guǎn】氮化对耐蚀性的重视【de chóng shì】程度不【chéng dù bú】够。

    如何提高渗氮【gāo shèn dàn】速度，一直是各个学者努力【zhě nǔ lì】解决的问题之【wèn tí zhī】一。而且离【ér qiě lí】子渗氮【zǐ shèn dàn】要求工【yào qiú gōng】件表面不能有【bú néng yǒu】锈迹【xiù jì】、氧化皮等【děng】，达到离子渗氮【zǐ shèn dàn】表面处【biǎo miàn chù】理要求是应用【shì yīng yòng】于现场的一大【de yī dà】难题，而抛丸在很好地解决这一问题的同时可大大地提高渗速【gāo shèn sù】。对于抛丸等【děng】形变促渗技术，国内外研究相对较多：黄炳南等【děng】发现对于Fe-Ti(1.75% )位错运动可显著加速合金的渗氮过程；对低碳非合金钢渗氮【gāng shèn dàn】后的冷却速度对屈服强度、断裂强【duàn liè qiáng】度有较大的影响【xiǎng】，渗前预变形0-20%的影响【xiǎng】则不大；预抛丸可促进白亮层的形成，催渗作用在初【yòng zài chū】期白亮【qī bái liàng】层未形【céng wèi xíng】成时最为显著【wéi xiǎn zhe】；C.Medrea等人采【děng rén cǎi】用温轧【yòng wēn zhá】之后再【zhī hòu zài】重新在550°C加热不同的时【tóng de shí】间后渗【jiān hòu shèn】氮发现【dàn fā xiàn】可以提高心部的机械性能，同时延长其寿【zhǎng qí shòu】命。

    渗氮工【shèn dàn gōng】艺参数对于渗【duì yú shèn】层性能的影响【de yǐng xiǎng】不容忽视，但目前一直没有对各工艺参数的影【shù de yǐng】响程度【xiǎng chéng dù】进行科学地验证分析。

    1、试验方法【fǎ】：

    本文选定石油套管用钢N80为试验用钢，其化学成分为C：0.42，Si：0.4，Mn：1.5，P：0.011，S：0.012，Mo：0.2，Ni：0.03。 样加工成 φ70mm ×h5mm 薄片，开 3mm 孔中心距边缘 2mm，以便装炉悬挂；进行 770℃油冷淬火，630℃回火亚温调质处理；采用现场Q32系列履带式抛丸清理机，抛丸材料为圆柱形钢丝；采用LDMC-15A型多功能离子化学热处理炉进行渗氮处理。根据标准以及文献[8]普遍比较关注的渗氮因素有温度。

    T、氮氢比 N2/H2、气流总量L、压力P，此外【cǐ wài】，也将抛【yě jiāng pāo】丸【wán】时间的影响【de yǐng xiǎng】程度考【chéng dù kǎo】虑在内，一共五【yī gòng wǔ】个因素，每个因素均随机选取两水平【liǎng shuǐ píng】，选用L8(27)正交试验表如表1所示【suǒ shì】。其中，在抛丸【wán】一栏中，“0”代表未抛丸【wán】，“1”代表抛丸【wán】，试验号一栏中括号里【kuò hào lǐ】的为实际随机【jì suí jī】进行的【jìn háng de】试验序号。

    2、正交试【zhèng jiāo shì】验结果分析：

    2.1、以渗氮层厚度【céng hòu dù】为指标的正交试验结【shì yàn jié】果：

    1)各因素对渗氮层厚度【céng hòu dù】的影响程度从【chéng dù cóng】大到小依次是：温度、有无抛【yǒu wú pāo】丸【wán】、流量、氮氢比【dàn qīng bǐ】、气压。第三列空列极【kōng liè jí】差相比【chà xiàng bǐ】于其他各因素小很多，可确定【kě què dìng】测试参数以外的其他参数影响可以【xiǎng kě yǐ】忽略。最后一个空列为待考【wéi dài kǎo】察的另一工艺。

    2)影响渗【yǐng xiǎng shèn】氮层厚【dàn céng hòu】度的最【dù de zuì】大因素【dà yīn sù】是温度，渗氮过程包括：① 生成活【shēng chéng huó】性氮原子；②活性原子吸附基体金属表面；③渗层中的氮原子向基【zǐ xiàng jī】体金属和渗层【hé shèn céng】内扩散【nèi kuò sàn】。渗氮层形成的大部分【dà bù fèn】过程受扩散速度控制。考虑在510~550℃之间是否有一个最佳【gè zuì jiā】温度。

    3)影响渗氮层厚度的第二大因素为是【sù wéi shì】否抛丸【fǒu pāo wán】。抛丸明显提高【xiǎn tí gāo】氮原子的渗入速率，使得渗氮层厚度有了【dù yǒu le】明显增【míng xiǎn zēng】加。抛丸试样表面产生弹【chǎn shēng dàn】塑性变形【xíng】，使金属表层位错密度【cuò mì dù】提高，增加了【zēng jiā le】氮的渗入扩散【rù kuò sàn】通道，抛丸表面变得【miàn biàn dé】凹凸不平【píng】，金属表面的粗糙度增加，增大了【zēng dà le】表面吸附氮的【fù dàn de】面积，加速渗氮过程。但凹凸不平【píng】的表面也【biǎo miàn yě】因离子特性增大了【zēng dà le】白亮层的不均匀性。

    2.2、以腐蚀【yǐ fǔ shí】电流密度为指【dù wéi zhǐ】标的正交试验结果：

    据以腐蚀电流密度为指标的极差分【jí chà fèn】析结果作正交试验直【shì yàn zhí】观趋势【guān qū shì】：

    1)影响试【yǐng xiǎng shì】件耐蚀性最大的因素【de yīn sù】是氮氢比，且随氮【qiě suí dàn】氢比的【qīng bǐ de】增大，腐蚀电流密度减小，即抗蚀【jí kàng shí】性增大。

    2)影响试件耐蚀性的第【xìng de dì】二大因素是是【sù shì shì】否抛丸。抛丸处【pāo wán chù】理虽然使得表面凹凸不平，容易使【róng yì shǐ】液体积聚【jù】，引发腐【yǐn fā fǔ】蚀；但是抛丸利于氮原子的吸附、扩散【kuò sàn】，增加渗氮层的厚度，从而提【cóng ér tí】高其耐【gāo qí nài】蚀性。

    3)影响试件耐蚀性第三大因素是温度，随渗氮温度增大，腐蚀电流密度减小，耐蚀性增强。温度降低，表面硬度有所上升，耐腐蚀性有所减少。XRD分析，其表面为γ’、ε两相混合物，硬度越高，ε形成的可能性、含量就越多，两相耐蚀性就越差。抛丸清理机

    4)从正交【cóng zhèng jiāo】分析表中可以【zhōng kě yǐ】看出代表其他因素的空列对耐蚀性【nài shí xìng】影响很小【xiǎo】，则其他因素对【yīn sù duì】耐蚀性【nài shí xìng】的影响【de yǐng xiǎng】小【xiǎo】，试验结果可信度高。

    3、温度对渗速及【shèn sù jí】渗氮层【shèn dàn céng】耐蚀性的影响：

    3.1、温度对渗氮层【shèn dàn céng】厚度的影响【yǐng xiǎng】：

   保证其【bǎo zhèng qí】他渗氮【tā shèn dàn】参数不变，测试渗氮温度分别为510、530、550°C下工件【xià gōng jiàn】的渗氮层厚度做出直观折线【guān shé xiàn】图3。

    以腐触【yǐ fǔ chù】电流密度为指【dù wéi zhǐ】标 的正交试验直观趋势分析图【fèn xī tú】图3 温度对【wēn dù duì】渗氮层厚度的影响

    3.2、温度对【wēn dù duì】渗氮层显微硬度的影响【xiǎng】：

   从显微硬度曲【yìng dù qǔ】线图4可以清【kě yǐ qīng】楚看到【chǔ kàn dào】三种温度下【dù xià】，温度升高，表面的硬度减小，硬度变化更为平缓。应该是因为温【yīn wéi wēn】度升高，扩散系【kuò sàn xì】数增大【shù zēng dà】，氮原子更易向内扩散，分布更【fèn bù gèng】均匀，表面硬【biǎo miàn yìng】度下【dù xià】降，验证了猜想。

    3.3、温度对【wēn dù duì】渗氮层耐蚀性的影响【de yǐng xiǎng】:

   三种温【sān zhǒng wēn】度下腐蚀电流直观图如图6所示【suǒ shì】，渗氮温度越高，耐蚀性越好。但一般渗氮层越厚，耐蚀性越好，则应该与显微【yǔ xiǎn wēi】硬度测得的渗氮层厚度偏小【dù piān xiǎo】以及正交试验的【shì yàn de】解释有关【yǒu guān】，与猜想【yǔ cāi xiǎng】和正交【hé zhèng jiāo】试验的【shì yàn de】结果吻合。

    综上温度对渗氮层厚度、耐蚀性有非常大影响，硬度越高，一般耐磨性越好。综合各指标，对于本论文研究的N80钢，在试验范围内530℃为最佳渗氮温度。抛丸清理机

    4、抛丸对渗速及渗氮层性能的【xìng néng de】影响【yǐng xiǎng】：

   抛丸可显著增加渗氮速度，抛丸对显微硬度有极大影响，明显增【míng xiǎn zēng】加了表面硬度【miàn yìng dù】。抛丸与未抛丸前0.22mm硬度下【yìng dù xià】降平缓度基本相同【xiàng tóng】，但0.22mm 处抛丸出现一【chū xiàn yī】个明显转折【zhuǎn shé】，下降更陡，应该是抛丸的催渗作【cuī shèn zuò】用仅限【yòng jǐn xiàn】在表面变形层，并且其作用强【zuò yòng qiáng】度由表至里存【zhì lǐ cún】在逐渐【zài zhú jiàn】减弱的趋势【qū shì】，势必造成在表层催渗作【cuī shèn zuò】用下迅速渗入的氮【rù de dàn】原子因内部扩散速率滞后而【zhì hòu ér】相对富集，导致扩散层在【sàn céng zài】厚度增加的同【jiā de tóng】时其固溶氮浓度或氮化物沉淀密度也相应【yě xiàng yīng】提高【tí gāo】。而超过【ér chāo guò】变形层，促渗明显减弱，氮原子不易向内扩散【nèi kuò sàn】，导致硬度变化较陡【jiào dǒu】。

    5、氮氢比对渗速【duì shèn sù】及渗氮【jí shèn dàn】层性能影响：

   本课题【běn kè tí】组针对氮氢【duì dàn qīng】比【bǐ】1:1、1:3、1:5对渗速、渗氮层耐蚀性【nài shí xìng】、耐磨性影响进【yǐng xiǎng jìn】行正交试验研究【yán jiū】，结果显【jié guǒ xiǎn】示氮氢比【bǐ】1:5时耐蚀性【nài shí xìng】最好，综合性能指【xìng néng zhǐ】标最佳。据前期研究【yán jiū】，对氮氢【duì dàn qīng】比【bǐ】1：5进行9、15min抛丸试验。编号为PXNY，X、Y 分别代表抛丸时间、氮氢比【bǐ】。渗氮层性能指【xìng néng zhǐ】标如表 2 所示【suǒ shì】。

    5.1、氮氢比对渗氮层厚度【céng hòu dù】影响【yǐng xiǎng】：

    1) 氮氢比 3:1 比 1:5 相同抛丸时间【wán shí jiān】下的渗【xià de shèn】氮层厚度要大，后者抛丸9min 渗氮厚【shèn dàn hòu】度与前者不抛丸相同【wán xiàng tóng】，与前期及文献【jí wén xiàn】结论一致【zhì】。

    2)氮氢比 3:1 时，抛丸时间 9min，再增加抛丸时间，渗氮层厚度基本不再增加，再增加抛丸时间，现实意义不大；氮氢比1:5时，抛丸时间继续增加到15min时，渗氮层厚度继续增加。则不同氮氢比，活性氮原子量不同，抛丸时间不同，组织所容纳扩散的氮含量、速度不同，硬度分布也不相同，有不同最佳工艺。抛丸清理机

    5.2、氮氢比对渗氮层显微【céng xiǎn wēi】硬度的影响【yǐng xiǎng】：

   抛丸后，渗氮层表面硬度均较未抛丸【wèi pāo wán】大，且不同【tóng】氮氢比【dàn qīng bǐ】，表面硬度基本相同【tóng】，说明表面层吸【miàn céng xī】氮量基本达到饱和【bǎo hé】。但是炉【dàn shì lú】内气氛不同【tóng】，内外氮浓度差不同【tóng】，对扩散影响不同【tóng】，抛丸时【pāo wán shí】间产生效果也【xiào guǒ yě】不尽相同【tóng】。氮氢比【dàn qīng bǐ】1:5相比于3:1炉内活性氮原子【dàn yuán zǐ】少，扩散动力减少【lì jiǎn shǎo】，显微硬度随距离表面【lí biǎo miàn】越大而【yuè dà ér】减少的【jiǎn shǎo de】越多。氮氢比【dàn qīng bǐ】1:5、15min的抛丸【de pāo wán】处理并【chù lǐ bìng】未出现氮氢比【dàn qīng bǐ】3:1、12min 的过抛丸效果，由于氮氢比【dàn qīng bǐ】 3:1 炉内活性氮原子【dàn yuán zǐ】较多，12min 的抛丸【de pāo wán】使其表面出现【miàn chū xiàn】了氮原子【dàn yuán zǐ】极大集聚，不利于【bú lì yú】氮原子【dàn yuán zǐ】进一步渗入【shèn rù】，抛丸表面促吸氮效应相比促【xiàng bǐ cù】扩散效应更大【yīng gèng dà】，引起硬【yǐn qǐ yìng】度陡降。

    5.3、氮氢比对渗氮层耐蚀【céng nài shí】性的影【xìng de yǐng】响：

   由表2结果，可看出P15N1:5渗氮层【shèn dàn céng】厚度大【hòu dù dà】，但相比于P9N1:5耐蚀性【nài shí xìng】反而下降【jiàng】，可能是【kě néng shì】出现过抛丸，表面过于凹凸不平，引起液【yǐn qǐ yè】体积聚，发生点蚀所致。P9N3:1耐蚀性【nài shí xìng】不如前两者，此特性【cǐ tè xìng】与温度类似，显微硬【xiǎn wēi yìng】度增大，耐蚀性【nài shí xìng】反而降【jiàng】低，应该是【yīng gāi shì】由于此【yóu yú cǐ】氮氢比范围内，为γ'、ε两相，当含氮【dāng hán dàn】量越高时，越促使【yuè cù shǐ】ε相的生成，两相耐【liǎng xiàng nài】蚀性不如单相。有待进一步研【yī bù yán】究。

   综上，不同氮氢比下，炉内气氛不同，活性氮原子量不同，生成物质不同，对渗氮层厚度、硬度、耐蚀性均有较大影响，同时也造成抛丸后不同渗氮效果。抛丸清理机

    6、结论：

    本文对影响等离子抛丸渗氮速度及【sù dù jí】渗氮层性能的【xìng néng de】因素及影响程度给予【dù gěi yǔ】理论验证及分析，主要得出以下【chū yǐ xià】结论【jié lùn】：

    （1）温度对渗速影响最大，随温度【suí wēn dù】升高渗【shēng gāo shèn】氮层厚度下降；表面显【biǎo miàn xiǎn】微硬度随温度【suí wēn dù】升高而【shēng gāo ér】降低；耐蚀性随温度【suí wēn dù】升高而【shēng gāo ér】增大【zēng dà】。

    （2）抛丸可大大提高渗氮【gāo shèn dàn】层厚度【dù】、显微硬度【dù】。随抛丸【suí pāo wán】时间增【shí jiān zēng】长【zhǎng】，渗氮层【shèn dàn céng】厚度【dù】、显微硬度【dù】有所增加【jiā】，耐蚀性先减小后增大【hòu zēng dà】；在9min以内，随着抛【suí zhe pāo】丸时间【jiān】的增长【de zēng zhǎng】，显微硬度【dù】会增加【jiā】，而抛丸时间【jiān】再增长【zhǎng】时，显微硬度【dù】出现陡降，影响渗氮层【shèn dàn céng】性能，因而【yīn ér】9min为最佳抛丸时间【jiān】。

    （3）氮氢比不同，炉内活【lú nèi huó】性氮原子数不同，对耐蚀性影响【xìng yǐng xiǎng】最大。氮氢比不同会造成抛丸对渗氮产生【dàn chǎn shēng】不同效【bú tóng xiào】果【guǒ】。

    综上所述，对N80钢渗氮而言，在测试【zài cè shì】范围内，最佳渗氮温度【dàn wēn dù】为【wéi】530℃，最佳抛丸时间为【wéi】 9min。