通过正交试验，科学验证了影响渗速【xiǎng shèn sù】以及渗氮层硬【dàn céng yìng】度、耐蚀性【nài shí xìng】的两大【de liǎng dà】因素为温度以及是否【jí shì fǒu】进行抛丸处理【wán chù lǐ】，通过抛丸处理【wán chù lǐ】在加快渗速的【shèn sù de】同时有效地解决了离子渗氮【zǐ shèn dàn】清洁度要求高的问题。并对各【bìng duì gè】个主要影响因素对渗【sù duì shèn】氮层厚度【hòu dù】、显微硬【xiǎn wēi yìng】度、耐蚀性【nài shí xìng】的影响进行了进一步【jìn yī bù】地研究【dì yán jiū】：随温度升高【shēng gāo】，渗氮层厚度【hòu dù】、显微硬【xiǎn wēi yìng】度降低，耐蚀性【nài shí xìng】提高，综合考虑 530℃左右为 N80 钢的最【gāng de zuì】佳渗氮【jiā shèn dàn】温度；抛丸时间越长，渗氮层厚度【hòu dù】越大，表面显微硬【xiǎn wēi yìng】度越大，耐蚀性【nài shí xìng】先降低后增大【hòu zēng dà】，但抛丸时间过【shí jiān guò】长，显微硬【xiǎn wēi yìng】度出现陡降，影响渗氮层性【dàn céng xìng】能，因而【yīn ér】 9min 为N80 钢的最【gāng de zuì】佳抛丸【jiā pāo wán】时间；氮氢比不同【bú tóng】，炉内气氛不同【bú tóng】，活性氮原子量不同【bú tóng】，造成渗【zào chéng shèn】氮层性【dàn céng xìng】能以及抛丸对渗氮效果产生【guǒ chǎn shēng】影响。

    0、引言：

    目前深井开采对油管【duì yóu guǎn】的质量提出了更高的【gèng gāo de】要求，尤其是深井中【shēn jǐng zhōng】CO2、H2S 气体的【qì tǐ de】存在，使得油管腐蚀【guǎn fǔ shí】越来越【yuè lái yuè】严重【yán chóng】。根据油管的各种表面处理技术及现场应用情况[1],渗氮技术应用前景乐观【guān】，但油管氮化对耐蚀性【nài shí xìng】的重视程度不【chéng dù bú】够。

    如何提高渗氮速度，一直是【yī zhí shì】各个学者努力解决的问题之【wèn tí zhī】一。而且离【ér qiě lí】子渗氮要求工件表面【jiàn biǎo miàn】不能有锈迹【xiù jì】、氧化皮等，达到离【dá dào lí】子渗氮表面处理要求是应用于现场【yú xiàn chǎng】的一大难题，而抛丸在很好地解决这一问题的同时可大【shí kě dà】大地提【dà dì tí】高渗速。对于抛【duì yú pāo】丸等形变促渗技术，国内外【guó nèi wài】研究相对较多：黄炳南等发现【děng fā xiàn】对于【duì yú】Fe-Ti(1.75% )位错运动可显【dòng kě xiǎn】著加速合金的【hé jīn de】渗氮过程；对低碳非合金钢渗氮后的冷却速度对屈服【duì qū fú】强度【qiáng dù】、断裂强【duàn liè qiáng】度有较大的影响，渗前预【shèn qián yù】变形0-20%的影响则不大；预抛丸可促进白亮层【bái liàng céng】的形成，催渗作用在初期白亮层【bái liàng céng】未形成时最为显著；C.Medrea等人采用温轧之后再【zhī hòu zài】重新在550°C加热不同的时间后渗氮发现【dàn fā xiàn】可以提【kě yǐ tí】高心部的机械性能【xìng néng】，同时延【tóng shí yán】长其寿命【mìng】。

    渗氮工【shèn dàn gōng】艺参数对于渗层性能的影响不容忽【bú róng hū】视【shì】，但目前一直没【yī zhí méi】有对各工艺参数的影响程度【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【dàn qīng bǐ】 N2/H2、气流总量【liàng】L、压力P，此外【cǐ wài】，也将抛丸时间的影响【de yǐng xiǎng】程度考虑在内，一共五个因素，每个因素均随【sù jun1 suí】机选取【jī xuǎn qǔ】两水平，选用L8(27)正交试【zhèng jiāo shì】验表如【yàn biǎo rú】表1所示。其中【qí zhōng】，在抛丸一栏中，“0”代表未抛丸，“1”代表抛丸，试验号【hào】一栏中括号【hào】里的为实【de wéi shí】际随机进行的试验序号【hào】。

    2、正交试验结果【yàn jié guǒ】分析：

    2.1、以渗氮层厚度为指标【wéi zhǐ biāo】的正交试验结果【guǒ】：

    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【dà dào xiǎo】依次是：温度、有无抛丸、流量【liú liàng】、氮氢比【dàn qīng bǐ】、气压。第三列【dì sān liè】空列极【kōng liè jí】差相比于其他各因素小很多，可确定测试参数以外【shù yǐ wài】的其他参数影响可以忽略。最后一个空列为待考【wéi dài kǎo】察的另【chá de lìng】一工艺。

    2)影响渗氮层厚度的最大因素是温度【wēn dù】，渗氮过程包括【chéng bāo kuò】：① 生成活性氮原子【zǐ】；②活性原子【zǐ】吸附基体金属表面；③渗层中【shèn céng zhōng】的氮原【de dàn yuán】子【zǐ】向基体金属和渗层内扩散。渗氮层形成的【xíng chéng de】大部分【dà bù fèn】过程受【guò chéng shòu】扩散速度控制。考虑在510~550℃之间是【zhī jiān shì】否有一个最佳【gè zuì jiā】温度【wēn dù】。

    3)影响渗氮层厚【dàn céng hòu】度的第【dù de dì】二大因素为是否抛丸。抛丸明显提高【xiǎn tí gāo】氮原子的渗入速率【sù lǜ】，使得渗【shǐ dé shèn】氮层厚【dàn céng hòu】度有了【dù yǒu le】明显增【míng xiǎn zēng】加。抛丸试【pāo wán shì】样表面【yàng biǎo miàn】产生弹塑性变形，使金属表层位【biǎo céng wèi】错密度【cuò mì dù】提高【tí gāo】，增加了氮的渗入扩散通道【tōng dào】，抛丸表面变得凹凸不平【píng】，金属表面的粗糙度增加，增大了表面吸附氮的【fù dàn de】面积，加速渗氮过程。但凹凸不平【píng】的表面也因离子特性增【tè xìng zēng】大了白亮层的不均匀性。

    2.2、以腐蚀电流密度为指【dù wéi zhǐ】标的正交试验【jiāo shì yàn】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【zuò zhèng jiāo】试验直观趋势【guān qū shì】：

    1)影响试件耐蚀【jiàn nài shí】性最大的因素是氮氢比【bǐ】，且随氮【qiě suí dàn】氢比的【qīng bǐ de】增大，腐蚀电流密度减小【jiǎn xiǎo】，即抗蚀性增大。

    2)影响试【yǐng xiǎng shì】件耐蚀性【shí xìng】的第二大因【èr dà yīn】素是是否抛丸。抛丸处【pāo wán chù】理虽然使得表面凹凸不平，容易使液体积聚，引发腐【yǐn fā fǔ】蚀；但是抛丸利于氮原子【dàn yuán zǐ】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【shí xìng】。

    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)从正交分析表中可以看出代表其他因素的【yīn sù de】空列对【kōng liè duì】耐蚀性【nài shí xìng】影响很【yǐng xiǎng hěn】小，则其他因素对【yīn sù duì】耐蚀性【nài shí xìng】的影响小，试验结果可信【guǒ kě xìn】度高。

    3、温度对渗速及【shèn sù jí】渗氮层耐蚀性的影响【de yǐng xiǎng】：

    3.1、温度对【wēn dù duì】渗氮层【shèn dàn céng】厚度的影响：

   保证其他渗氮参数不变，测试渗氮温度分别为【fèn bié wéi】510、530、550°C下工件【xià gōng jiàn】的渗氮层厚度做出直【zuò chū zhí】观折线图【tú】3。

    以腐触电流密度为指【dù wéi zhǐ】标 的正交试验直观趋势分析图【fèn xī tú】图【tú】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【xiǎn wēi yìng】度的影响：

   从显微【cóng xiǎn wēi】硬度曲线图【xiàn tú】4可以清楚看到三种温度下，温度升高【gāo】，表面的【biǎo miàn de】硬度减小，硬度变化更为【huà gèng wéi】平缓。应该是因为温度升高【gāo】，扩散系【kuò sàn xì】数增大【shù zēng dà】，氮原子更易向内扩散，分布更均匀，表面硬【biǎo miàn yìng】度下降，验证了猜想【cāi xiǎng】。

    3.3、温度对【wēn dù duì】渗氮层【shèn dàn céng】耐蚀性的影响:

   三种温度下腐蚀电流直观图如图6所示，渗氮温度越高，耐蚀性越好【yuè hǎo】。但一般渗氮层越厚，耐蚀性越好【yuè hǎo】，则应该【zé yīng gāi】与显微硬度测得的渗氮层厚【dàn céng hòu】度偏小以及正交试验【jiāo shì yàn】的解释【de jiě shì】有关【yǒu guān】，与猜想和正交【hé zhèng jiāo】试验的结果吻【jié guǒ wěn】合【hé】。

    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【xiǎn zhe zēng】加渗氮速度，抛丸对显微硬度有极大影响，明显增加了表面硬度【miàn yìng dù】。抛丸与未抛丸前【qián】0.22mm硬度下【yìng dù xià】降平缓【jiàng píng huǎn】度基本相同【xiàng tóng】，但0.22mm 处抛丸出现一个明显【gè míng xiǎn】转折，下降更陡，应该是【yīng gāi shì】抛丸的催渗作用仅限【yòng jǐn xiàn】在表面变形层【biàn xíng céng】，并且其作用强【zuò yòng qiáng】度由表至里存在逐渐【zài zhú jiàn】减弱的趋势，势必造成在表层催渗作用下迅速渗【xùn sù shèn】入的氮原子因【yuán zǐ yīn】内部扩【nèi bù kuò】散速率滞后而相对富【xiàng duì fù】集，导致扩散层在厚度增加的同【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。而超过【ér chāo guò】变形层【biàn xíng céng】，促渗明显减弱【xiǎn jiǎn ruò】，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【dàn qīng bǐ】对渗速及渗氮【jí shèn dàn】层性能影响：

   本课题组针对氮氢比【bǐ】1:1、1:3、1:5对渗速、渗氮层【shèn dàn céng】耐蚀性、耐磨性【nài mó xìng】影响进【yǐng xiǎng jìn】行正交试验研究【yán jiū】，结果显示氮氢比【bǐ】1:5时耐蚀【shí nài shí】性最好【xìng zuì hǎo】，综合性【zōng hé xìng】能指标最佳。据前期研究【yán jiū】，对氮氢比【bǐ】1：5进行9、15min抛丸试验。编号为【biān hào wéi】PXNY，X、Y 分别代表抛丸时间、氮氢比【bǐ】。渗氮层【shèn dàn céng】性能指标如表【biāo rú biǎo】 2 所示。

    5.1、氮氢比【dàn qīng bǐ】对渗氮层厚度【céng hòu dù】影响：

    1) 氮氢比【dàn qīng bǐ】 3:1 比【bǐ】 1:5 相同抛丸【wán】时间下的渗【xià de shèn】氮层厚度要大，后者抛丸【wán】9min 渗氮厚度与前者不抛丸【wán】相同，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【dàn qīng bǐ】对渗氮层显微硬度的影响【yǐng xiǎng】：

   抛丸后【pāo wán hòu】，渗氮层【shèn dàn céng】表面硬度均较未抛丸【wèi pāo wán】大，且不同氮氢比【dàn qīng bǐ】，表面硬度基本相同，说明表面层吸氮量基本达到饱和。但是炉【dàn shì lú】内气氛不同，内外氮浓度差【nóng dù chà】不同，对扩散影响不同，抛丸时间产生效果也【xiào guǒ yě】不尽相【bú jìn xiàng】同。氮氢比【dàn qīng bǐ】1:5相比于3:1炉内活【lú nèi huó】性氮原子少【zǐ shǎo】，扩散动力减少【lì jiǎn shǎo】，显微硬度随距【dù suí jù】离表面越大而减少的【jiǎn shǎo de】越多【yuè duō】。氮氢比【dàn qīng bǐ】1:5、15min的抛丸【de pāo wán】处理并未出现氮氢比【dàn qīng bǐ】3:1、12min 的过抛丸效果，由于氮【yóu yú dàn】氢比 3:1 炉内活【lú nèi huó】性氮原子较多【zǐ jiào duō】，12min 的抛丸【de pāo wán】使其表【shǐ qí biǎo】面出现了氮原子极大集聚，不利于氮原子进一步渗入【shèn rù】，抛丸表【pāo wán biǎo】面促吸氮效应相比促扩散效应更大，引起硬度陡降。

    5.3、氮氢比对渗氮【duì shèn dàn】层耐蚀性的影响【xiǎng】：

   由表2结果，可看出P15N1:5渗氮层【shèn dàn céng】厚度大，但相比【dàn xiàng bǐ】于P9N1:5耐蚀性【nài shí xìng】反而下降，可能是出现过抛丸，表面过【biǎo miàn guò】于凹凸不平，引起液体积聚【tǐ jī jù】，发生点蚀所致。P9N3:1耐蚀性【nài shí xìng】不如前两者【liǎng zhě】，此特性与温度【yǔ wēn dù】类似，显微硬度增大，耐蚀性【nài shí xìng】反而降低【dī】，应该是由于此【yóu yú cǐ】氮氢比范围内，为γ'、ε两相，当含氮【dāng hán dàn】量越高时【shí】，越促使ε相的生【xiàng de shēng】成【chéng】，两相耐蚀性【nài shí xìng】不如单相。有待进【yǒu dài jìn】一步研究。

   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【běn wén duì】影响等【yǐng xiǎng děng】离子抛丸渗氮速度及渗氮层性能的因素及影响程度给予【dù gěi yǔ】理论验证及分析，主要得【zhǔ yào dé】出以下结论【jié lùn】：

    （1）温度对【wēn dù duì】渗速影响最大，随温度升高渗【shēng gāo shèn】氮层厚【dàn céng hòu】度下降；表面显微硬度随温度升高而【shēng gāo ér】降低【jiàng dī】；耐蚀性随温度升高而【shēng gāo ér】增大。

    （2）抛丸可【pāo wán kě】大大提【dà dà tí】高渗氮【gāo shèn dàn】层厚度【hòu dù】、显微硬【xiǎn wēi yìng】度【dù】。随抛丸时间【wán shí jiān】增长，渗氮层厚度【hòu dù】、显微硬【xiǎn wēi yìng】度【dù】有所增加，耐蚀性先减小后增大；在【zài】9min以内【yǐ nèi】，随着抛【suí zhe pāo】丸时间【wán shí jiān】的增长，显微硬【xiǎn wēi yìng】度会增【dù huì zēng】加，而抛丸时间【wán shí jiān】再增长时，显微硬【xiǎn wēi yìng】度【dù】出现陡降，影响渗氮层性能【néng】，因而9min为最佳抛丸时间【wán shí jiān】。

    （3）氮氢比不同【tóng】，炉内活性氮原【xìng dàn yuán】子数不同【tóng】，对耐蚀【duì nài shí】性影响最大【zuì dà】。氮氢比不同【tóng】会造成抛丸对渗氮产生不同【tóng】效果【guǒ】。

    综上所述【shù】，对【duì】N80钢渗氮【gāng shèn dàn】而言【ér yán】，在测试范围内，最佳渗氮温度为530℃，最佳抛丸时间为 9min。