[发明专利]油管离子脉冲快速渗氮强韧化工艺

说明书

技术领域：

本发明是一种新型等离子脉冲快速渗氮工艺，该工艺克服了以往的渗氮层脆性大的缺点，提高了油管渗氮后工件的使用寿命，扩宽了渗氮技术的应用领域。

背景技术：

至今，油田用油管存在严重的磨损腐蚀失效问题，由于抽油机工作在含有大量腐蚀性液体的油水中，再加上和抽油杆的摩擦，产生严重的腐蚀磨损断裂。严重影响了油井的采油降低了效率。

目前，大多数已经采用渗氮这种工艺。渗氮最常用的是气体渗氮和离子渗氮。气体渗氮是在加热的基础上渗氮气氛分解，从而氮元素从表面扩散到内部，达到饱和继续扩散的过程，气体渗氮一般渗氮的时间长、性能没有离子渗氮好，经常出现脉状组织和工件变形等缺陷。

离子渗氮则可以避免这种缺陷，而且渗氮时间大大减小，是一种很好的渗氮技术，一般有三个过程；①含氮气氛分解；②活性氮原子吸附在工件表面；③N向工件内部扩散。原理是：含氮气氛在高压脉冲下电离，形成等离子体产生活性N离子，一般工件为阴极，这样被电离的N就会吸附在工件表面，不断向工件内部扩散，饱和形成新相继续扩散形成另一种新相。N原子的渗入造成基体表面固溶强化，还会造成晶格缺陷和弥散硬化等。对于合金钢除了固溶硬化更重要的是弥散硬化，由于合金元素(Cr、Si、Al、W、Mo等)和N反应生成高度弥散的合金氮化物，具有极高的硬度和耐蚀性。

离子渗氮是非常精密而又实用的表面处理工艺。可通过调节电压和真空度、通过调节不同气氛(氢气、氮气及其他辅助气体)的比例，即可获得不同要求的渗氮组织，可以获得注重耐蚀性的、注重耐磨性的、还可以获得即耐蚀又耐磨的渗氮层。从而满足不同的要求。

但常规的离子渗氮工艺存在严重的渗氮层硬度过于太高导致渗氮层脆性较大，有的渗氮后经常把脆性大的白亮层磨掉，这样造成渗氮技术的应用受到限制。

发明内容：

本发明的工艺解决了渗氮后硬度大、脆性大的难题，在渗氮前对油管进行二次亚温调质处理，这种热处理工艺可以明显提高油管的强度和韧性，强度可以防止渗氮时油管的变形，韧性则可以减小渗氮后工件表面的脆性，还可以增加心部的韧性，虽然硬度有所降低，但渗氮后的硬度足以满足要求，二次亚温调质加渗氮后的油管有很好的综合力学性能。

本发明的实现步骤为：

渗氮前先对油管材料N80钢进行二次亚温调质工艺，二次亚温调质包括对材料的退火+淬火+回火+二次亚温淬火+回火。接着进行化学热处理离子渗氮，渗氮时的调节参数包括渗氮温度，渗氮时的N₂和H₂的比例。离子渗氮保温一定时间后进行炉冷。

下面对工艺的步骤做具体限制：

(1)二次亚温调质中的退火温度在800℃以上，保温时间t＝(1-1.5)*h(min)，炉冷至600℃以下出炉，h为N80钢油管材料的厚度；

(2)第一次淬火温度在800℃～850℃之间，保温时间t＝(1-1.5)*h(min)，冷却为油冷或者水冷；

(3)一次淬火后的回火温度在500℃以上，保温时间在20min以上，冷却方式为空冷或者油冷；

(4)第二次淬火的温度在750℃～810℃之间，保温时间t＝(1-1.5)*h(min)，冷却为油冷或者水冷；

(5)二次淬火后的回火温度在500℃～650℃之间，保温时间在20min以上，冷却方式为空冷或者油冷；

(6)调质后进行离子渗氮时的渗氮温度在450℃以上，保温时间在1小时以上，N₂和H₂的比例在1∶9以上。

本发明可以使渗氮后N80钢的化合物层的组织为韧性较好的单相的γ’和少量的强度较高的α-Fe(N)，N80钢心部均匀分布细小的针状铁素体组织，这样的工艺不仅使渗氮层具有很好的韧性和强度，心部组织还有很高的韧性，避免了白亮层的脆性，提高了N80钢的整体韧性和表面强度。还可以获得以γ’为主和少量α-Fe(N)、耐蚀性较高的ε组成的组织。

具体实施方式

下面结合实施例来进一步描述本发明。

结合本发明内容，对N80钢钢二次亚温调质离子渗氮的工艺提供以下实例：

实例1

(1)二次亚温调质中的退火温度在840℃，保温时间8min，h为5mm；

(2)第一次淬火温度在840℃，保温时间8min，冷却为油冷；

(3)一次淬火后的回火温度为600℃，保温时间在30min，冷却方式为空冷；

(4)第二次淬火的温度在785℃，保温时8min，冷却为油冷；