不銹鋼控制棒離子滲氮外觀色差改善技術研究

甄利平，李 濤，陶永良，郭旭林，鄧 見

（1.上海高泰精密管材股份有限公司，上海 200000；2.浙江大學，浙江 杭州 310058）

不銹鋼控制棒經過離子滲氮處理后，表面形成了厚度約為30μm的滲氮層，該滲氮層具有耐腐蝕、耐磨的特點[1]。不銹鋼控制棒離子滲氮處理的氣體介質為氫氣、氮氣、甲烷，因此滲氮結束后外觀顏色是黑色。在產品驗收過程中，發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的滲氮管存在色差，對有色差滲氮管開展了滲氮層厚度、硬化層深度、硬度沿深度的變化和池內抗腐蝕性能試驗，從檢測結果可以看出滲氮管的色差對滲氮層厚度以及性能沒有影響。

經過前期試驗及理論分析，離子滲氮爐混氣罐和離子滲氮爐內氣體介質流速不均勻會導致滲氮后的不銹鋼管材外觀存在色差，通過對混氣罐和滲氮爐內的氣體流速均勻度進行模擬分析，驗證了混氣罐和滲氮爐內氣體流速存在不均勻。根據(jù)模擬分析的結果，對混氣罐結構進行重新設計，提高不同介質氣體在混氣罐中的混合均勻度，在后期的試驗驗證以及產品生產中，滲氮管的外觀色差有改善。

對離子滲氮爐內氣氛均勻性進行模擬分析，結果顯示滲氮爐進氣口和爐底輔助陽極盤處存在氣體流速不均勻。經過討論分析，為后續(xù)離子滲氮爐改造提出兩種不同的方案。

1 滲氮管外觀顏色技術條件要求

在滲氮結束后，管子應呈現(xiàn)為黑色、均勻的氧化色，滲氮件表面不應有裂紋、剝落和明顯的電弧燒傷痕跡。劃痕等缺陷其深度不應超過管子名義厚度的5%。應100%進行目視外觀檢查。

2 有色差的滲氮管性能對比

2.1 離子滲氮外觀顏色的形成原因機理

不銹鋼控制棒離子滲氮過程中，使用的介質氣體有氫氣、氮氣、甲烷，在高電壓、低氣壓環(huán)境中，一部分甲烷會生成碳黑，附著在管材表面，因此滲氮結束后的管材表面顏色呈現(xiàn)出黑色[2]。滲氮管的外觀黑色使用一定目數(shù)的砂紙可以輕易去除掉，而滲氮層的硬度為1100HV左右，比常用的工模具鋼硬度都高，是不容易破壞的，因此擦拭掉的黑色不是滲氮層。

2.2 有色差的滲氮管性能對比試驗

為了確保產品質量，對有色差滲氮管開展了滲氮層厚度、硬化層深度和硬度沿深度的變化及池內抗腐蝕性能試驗。

2.2.1有色差滲氮管滲氮層厚度對比（渦流法）

在鑒定批的滲氮管中分別找出黑色、淺黑色、泛黃的各6支共計18支滲氮管產品，采用渦流法檢測滲層厚度，結果列于表1。

表1 有色差滲氮管滲層厚度檢測結果

從表1得出，黑色滲氮管滲層厚度范圍：26.95μm～35.92μm，淺黑色滲氮管滲層厚度范圍：28.08μm～35.56μm；泛黃滲氮管滲層厚度范圍：29.00μm～35.55μm。不同顏色滲氮管滲層厚度沒有顯著性差異。因此，滲氮管顏色的色差，不會影響滲氮層厚度。

2.2.2 不同色差滲氮管滲氮層厚度和硬化層厚度的檢測對比（金相法+硬度梯度法）

根據(jù)滲氮管產品顏色分別取黑色、淺黑色、泛黃3類滲氮管產品進行滲層厚度和硬化層厚度的檢測。其中，采用金相法檢測滲層厚度，硬化層深度采用維氏硬度法測量滲氮層橫截面硬度沿深度的變化。黑色、淺黑色、泛黃3類滲氮管滲層厚度及硬化層深度檢測結果見表2。

表2 有色差滲氮管滲層厚度及維氏硬度檢測結果

從表1、表2中得出，黑色、淺黑色、泛黃3類滲氮管的滲層厚度、硬化層厚度及沿深度方向的硬度變化曲線沒有差異。

2.2.3 有色差滲氮管池內抗腐蝕性能試驗

取滲氮管產品黑色、淺黑色、泛黃3類滲氮管產品和用3M百潔布擦拭管，進行池內電化學腐蝕試驗結果見表3。

表3 有色差滲氮管的池內抗腐蝕性能試驗結果

從表3看出，有色差的滲氮管池內抗腐蝕性能沒有明顯差異。

結論：有色差的滲氮管的滲層厚度、維氏硬度試驗及池內抗腐蝕性能結果沒有明顯差異。

3 降低滲氮管色差的措施

不銹鋼控制棒離子滲氮的工藝參數(shù)主要有滲氮溫度、保溫時間、氣體介質等。滲氮溫度對滲氮層厚度有直接的影響，根據(jù)表1不同外觀顏色滲氮管滲氮層厚度的檢測對比，不同外觀滲氮管滲氮層厚度差異不大，并且通過滲氮過程中熱電偶的監(jiān)測溫度可以看出滲氮溫差是在工藝要求的范圍之內。對于同一爐次的滲氮管，保溫時間都是相同的，造成滲氮管色差的主要原因是氣體介質的不均勻造成的。

根據(jù)設備的復雜程度、改造的工程量大小確定如下步驟：①對現(xiàn)有的混氣罐氣體均勻度進行模擬分析并根據(jù)結果對混氣罐結構進行重新設計；②對新設計的混氣罐及原有爐內氣路系統(tǒng)進行驗證試驗；③對新舊爐內氣路系統(tǒng)布局進行理論評估；④根據(jù)模擬評估提出不同的設備改進方案。

3.1 設備混氣罐的重新設計

3.1.1現(xiàn)有混氣罐的結構氣體均勻度模擬

委托浙江大學對氣源柜內混氣罐氣體均勻度進行模擬，并根據(jù)模擬結果對混氣罐結構進行改進優(yōu)化，設計出新的混氣罐。

從模擬結果（下圖1）可以看出，混氣罐不同的進氣口氣體流速均勻度相差很大，說明混氣罐內氣體是不均勻的，沒有達到理想的混合效果。

圖1 混氣罐氣體介質均勻度模擬

3.1.2 混氣罐結構的設計

對混氣罐結構進行重新優(yōu)化設計，新設計的混氣罐是根據(jù)不同氣體的流量大小以及質量百分比，設計出不同氣體的進氣位置，并在混氣罐內增加阻尼板，可以保證在降低氣體流速的同時增加氣體的混合均勻度。

3.2 對新設計的混氣罐及原有爐內氣路系統(tǒng)進行驗證試驗

3.2.1 外觀檢驗

更換新的混氣罐之后，進行了外觀試驗，從試驗結果（下圖2）可以看出，混氣罐的重新設計能減小滲氮管的外觀色差。

圖2 更換混氣罐后的滲氮管外觀

3.2.2 更換混氣罐前后滲氮管檢測數(shù)據(jù)對比

混氣罐結構的優(yōu)化是在離子滲氮工藝參數(shù)不變的條件下進行的，新設計的混氣罐只是提高了混合氣體的均勻度，理論上不會影響滲氮層的厚度大小以及性能。為保證試驗的嚴謹，檢測對比混氣罐改進前后的滲氮層厚度，確保在優(yōu)化離子滲氮外觀的同時不影響離子滲氮后滲氮層的厚度、硬化層深度和硬度沿深度的變化及池內抗腐蝕性能試驗。

表4 更換混氣罐前后產品檢測數(shù)據(jù)對比

3.2.3 結論

混氣罐的重新設計制作能提高不同介質的混合均勻度，減小滲氮管的外觀色差。通過檢測對比分析，更管混氣罐不會影響滲氮管的各項性能指標。

3.3 對新舊爐內氣路系統(tǒng)布局進行理論評估

浙江大學對離子滲氮爐內氣體流動速度分布進行模擬分析，從模擬結果（圖3、圖4）可以看出，爐頂進氣口氣體流速不均勻，氣體出口處產生氣流漩渦。爐底輔助陽極盤附近氣體流速也不均勻，輔助陽極盤周圍氣體流速大，陽極盤上氣體流速小，即氣流在爐頂以及爐底是最不均勻的。

圖3 爐內氣體均勻度模擬

圖4 爐頂出氣口和爐底輔助陽極盤附近氣體均勻度模擬

3.4 對離子滲氮爐的改進方案

根據(jù)模擬離子滲氮爐內氣體均勻度，對現(xiàn)有設備結構的優(yōu)化更改有以下兩種方案：方案1是增加爐頂進出氣口的數(shù)量，如由原來的6個增加到12個進氣口，使出氣口處壓力降低，避免漩渦的產生。方案2是更改爐頂進口的位置，由原來在爐壁周圍改到爐頂中心位置。

4 結論

對有色差滲氮管的檢測對比，外觀色差對滲氮管的滲層厚度、硬化層深度、硬度沿深度的變化和池內抗腐蝕性能沒有影響。對影響滲氮管色差的混氣罐及爐內進氣進行模擬分析，重新設計制作了新的混氣罐，通過試驗對比混氣罐的重新設計制作減小了滲氮管的外觀色差。模擬分析離子滲氮爐內氣體流動的均勻度，經過討論分析提出兩種不同的設備改進方案。