摘 要：316L控制棒包殼管離子滲氮過(guò)程中使用機(jī)械屏蔽不能完全實(shí)現(xiàn)屏蔽區(qū)無(wú)滲氮層，影響后期加工和焊接等工序，為滿(mǎn)足管材上端焊接區(qū)技術(shù)條件要求，針對(duì)316L不銹鋼管離子滲氮工藝特點(diǎn)，分析上端焊接區(qū)滲氮防滲技術(shù)，通過(guò)化學(xué)成分分析、光學(xué)顯微分析、X射線(xiàn)衍射等試驗(yàn)方法分析防滲涂料成分、管材滲氮層的組織和性能，驗(yàn)證了采用組合防滲（機(jī)械隔離+刷涂防滲涂料）工藝技術(shù)的實(shí)際效果，其可以滿(mǎn)足滲氮管上部焊接區(qū)防滲的技術(shù)條件要求。

關(guān)鍵詞：離子滲氮；不銹鋼包殼管；夾具；防滲涂料

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 178 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

離子滲氮一般是在真空設(shè)備中（100Pa～600Pa），以一定比例的氨氣（或用氫氣、氮?dú)獯妫⒓淄榈葰怏w，以零件為陰極，真空設(shè)備的爐壁或容器內(nèi)另設(shè)金屬作為陽(yáng)極。當(dāng)陰陽(yáng)極之間加上數(shù)百伏直流電壓時(shí)，兩極間的稀薄氣體被電離，從而產(chǎn)生輝光放電。由于真空設(shè)備中的稀薄氣體被電離，空間中存在大量的電子和離子，正離子向作為陰極的零件運(yùn)動(dòng)，電子則飛向陽(yáng)極，持續(xù)不斷的輝光放電過(guò)程使離子滲氮過(guò)程不斷進(jìn)行。在離子滲氮過(guò)程中，要求產(chǎn)品有非滲氮區(qū)域，可以采取金屬屏蔽防滲和涂料防滲方式，避免防滲區(qū)域表面硬化。

基于“華龍一號(hào)”工程，根據(jù)中核集團(tuán)“龍騰2020”項(xiàng)目部署，重點(diǎn)解決國(guó)內(nèi)控制棒組件中不銹鋼包殼管表面滲氮的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，中核高泰使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的專(zhuān)用離子滲氮設(shè)備對(duì)不銹鋼包殼管進(jìn)行離子滲氮處理，對(duì)需要防滲的零件部位使用專(zhuān)用設(shè)備提高防滲涂層的效率。

1 奧氏體不銹鋼的離子滲氮

1.1 奧氏體不銹鋼滲氮的目的

因奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性能和可加工性能而被廣泛應(yīng)用，但它的硬度低（200HV～250HV）、耐磨性差，用奧氏體不銹鋼制造的機(jī)械零部件，尤其是需要耐磨的部位，往往難以滿(mǎn)足使用要求，嚴(yán)重影響這些零部件的使用壽命。為了提高不銹鋼表面的硬度，可以采取對(duì)產(chǎn)品表面離子進(jìn)行滲氮的方法來(lái)滿(mǎn)足要求[1]。

1.2 奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼的離子滲氮會(huì)增加其表面硬度，提高耐磨性。為了保證不降低不銹鋼的耐腐蝕性能，通常采用低溫離子滲氮技術(shù)使奧氏體不銹鋼表面生成氮或碳的過(guò)飽和固溶體，這種過(guò)飽和固溶體具有較高的硬度，且在硬化層內(nèi)沒(méi)有碳化鉻和氮化鉻析出，不會(huì)降低不銹鋼的耐腐蝕性能。

1.3 奧氏體不銹鋼管在核電中的應(yīng)用

控制棒是核電設(shè)備中的重要部件，它是由外徑?9.7mm、壁厚0.5mm、長(zhǎng)度4000mm的316L奧氏體不銹鋼管制成，管內(nèi)含有顆粒狀的中子吸收劑。在核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整控制棒的插入深度達(dá)到控制核反應(yīng)速度的目的，控制棒的反復(fù)運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致不銹鋼管磨損，所以對(duì)這些控制棒外表面的要求是既要耐磨又要耐蝕[2]。

國(guó)外熱處理公司從20世紀(jì)70年代就開(kāi)展核電不銹鋼低溫離子硬化處理技術(shù)的研究，主要有離子滲氮、離子滲碳和離子氮碳共滲[3]。

中核高泰公司在2015年開(kāi)始研究316L不銹鋼包殼管離子滲氮，與國(guó)內(nèi)熱處理設(shè)備廠(chǎng)家合作研發(fā)專(zhuān)用于包殼管滲氮用離子滲氮爐，并研發(fā)出316L低溫離子滲氮工藝，316L不銹鋼管裝爐方式如圖1所示。

2 離子滲氮的防滲

2.1 離子滲氮防滲的目的

離子滲氮后會(huì)在零件表面形成一層硬化層，該硬化層具有高硬度、高耐磨性。但是在一些情況下需要考慮局部防滲[4]。1）為了滿(mǎn)足機(jī)械性能要求，零件滲氮后會(huì)使塑性降低，為了滿(mǎn)足機(jī)械性能，需要對(duì)零件進(jìn)行局部防滲。2）方便后續(xù)的加工，滲氮后的零件表面具有高的硬度，會(huì)對(duì)后續(xù)的切削加工及安裝校準(zhǔn)產(chǎn)生影響。3）保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，零件上有些部位，例如窄的溝槽和小孔容易在離子滲氮過(guò)程中產(chǎn)生輝光集中，在離子滲氮過(guò)程中需要對(duì)容易產(chǎn)生輝光集中又不需要滲氮的部位進(jìn)行防滲。4）避免離子滲氮過(guò)程中零件某些部位的完全滲透，降低其使用性能，因此針對(duì)零件上容易滲透的部位也需要進(jìn)行防滲處理。

公司生產(chǎn)的控制棒包殼管為保證后續(xù)上端塞焊接質(zhì)量，需要對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行防滲處理，使其不受活性物的影響。不銹鋼管機(jī)械隔離尺寸長(zhǎng)度為距離管端96mm，滲氮結(jié)束后切割掉88mm，剩余焊接區(qū)長(zhǎng)度為8mm。

2.2 離子滲氮防滲的方法

實(shí)現(xiàn)局部滲氮的方法大多數(shù)都用金屬的覆蓋屏蔽、滲氮零件的相互屏蔽以及防滲涂層的屏蔽方法。

2.2.1 金屬覆蓋屏蔽

當(dāng)使用金屬屏蔽時(shí)，由于屏蔽物和零件處于同電位，因此也要起輝。屏蔽物和被屏蔽物并不要求緊密配合，只要屏蔽邊緣縫隙不大于0.5mm，使輝光不能進(jìn)入縫隙造成弧光放電即可。

2.2.2 防滲涂層屏蔽

使用離子滲氮專(zhuān)用的特殊金屬防滲涂料，可涂刷或噴涂在需要保護(hù)的零件表面來(lái)實(shí)現(xiàn)局部防滲，防滲涂層在干燥后仍能保持足夠的表面附著能力，金屬顆粒彼此緊密重疊，氮原子通過(guò)一定厚度（大于0.2mm）的涂料層，其擴(kuò)散是極微少的，因?yàn)榛钚缘ㄟ^(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的擴(kuò)散路程達(dá)到工件表面時(shí)已經(jīng)復(fù)合，離子滲氮后的防滲涂層很容易去除，使用酒精即可擦除。

3 316L控制棒包殼管滲氮防滲試驗(yàn)

奧氏體不銹鋼低溫滲氮后會(huì)大幅提高表面硬度和耐磨性，中核高泰公司生產(chǎn)的316L奧氏體不銹鋼滲氮前硬度為250HV～300HV，滲氮后表面硬度可以達(dá)到1000HV～1100HV。與涂層、鍍膜結(jié)合方式不同的是，滲氮層與不銹鋼基體是冶金結(jié)合，滲氮后的耐磨性也會(huì)大幅提高。奧氏體不銹鋼低溫滲氮后，形成的硬化層是氮或碳的過(guò)飽和固溶體，從滲氮前后XRD的檢測(cè)可以看出，奧氏體不銹鋼低溫滲氮后沒(méi)有新相生成[5]，因此不會(huì)降低其耐蝕性。

3.1 金屬夾具覆蓋的防滲試驗(yàn)

3.1.1 防滲工裝

針對(duì)不銹鋼管的防滲，使用專(zhuān)用的設(shè)計(jì)工裝[6]，根據(jù)包殼管的外徑尺寸，設(shè)計(jì)的屏蔽管內(nèi)徑為?10.2mm，與產(chǎn)品間隙單邊平均為0.25mm，能保證在滲氮過(guò)程中輝光不進(jìn)入縫隙，同時(shí)一定的間隙可以保證工裝的安裝與拆卸比較方便（如圖2所示）。為滿(mǎn)足后續(xù)加工及技術(shù)要求，屏蔽管的有效屏蔽長(zhǎng)度為96mm。在離子滲氮過(guò)程中，金屬夾具起到的作用如下。1）固定管材在離子滲氮爐中的位置，在滲氮過(guò)程中對(duì)細(xì)長(zhǎng)管起到吊掛的作用。2）夾具對(duì)包殼管上端焊接區(qū)有金屬屏蔽作用，可以起到防止管材表面滲氮，方便后續(xù)的焊接加工。

3.1.2 防滲工裝的滲氮使用

防滲工裝、彈簧夾套、吊掛裝置配合使用，不僅能對(duì)滲氮管有屏蔽作用，并且能起到固定管材之間的間距相同、保證每爐次的裝爐數(shù)量一致的作用。因?yàn)殡x子滲氮的裝爐方式和裝爐數(shù)量不同都會(huì)影響滲氮溫度的均勻性，所以在離子滲氮過(guò)程中固定裝爐方式對(duì)工藝的穩(wěn)定性有重要影響。

3.1.3 夾具防滲效果

使用制作的金屬夾具對(duì)不銹鋼管進(jìn)行覆蓋屏蔽。經(jīng)過(guò)離子滲氮后對(duì)屏蔽區(qū)的管材進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。通過(guò)試驗(yàn)可以得到結(jié)論，金屬夾具能起到一定的屏蔽作用，但是在屏蔽區(qū)還是有輕微的滲氮層生成，對(duì)后續(xù)的加工尤其是焊接會(huì)有一定的影響。

3.1.4 原因分析

離子滲氮時(shí)輝光處于亞穩(wěn)定區(qū)并得以持續(xù)保持，工件表面鈍化層在離子高速轟擊下被去除，氮和碳離子不斷進(jìn)入工件基體，從而形成硬化層。不銹鋼表面存在一層較致密的鈍化膜，離子滲氮是依靠輝光離子轟擊破膜，由于屏蔽管與包殼管之間間隙很小，該處不可能產(chǎn)生輝光，因此按離子滲氮技術(shù)理論屏蔽段應(yīng)無(wú)擴(kuò)散層產(chǎn)生。

離子滲氮時(shí)按確定比例同時(shí)向爐內(nèi)通入N2、H2和CH4氣體，在一定壓力、溫度、時(shí)間的綜合條件作用下，處于屏蔽段間隙中一定量的H+N+C→HCN發(fā)生反應(yīng)，而這種反應(yīng)需要具備一定的反應(yīng)條件，這就解釋了為什么同樣條件下的屏蔽卻有2種截然不同的結(jié)果。

HCN是具有揮發(fā)性和弱腐蝕性的氣態(tài)氫氰酸，附著在屏蔽段內(nèi)管子表面上，隨機(jī)生成的客觀性決定了其具有的非均勻性，附著的HCN起到了破膜的作用，在這個(gè)狹小的局部N、C離子實(shí)際是以氣體滲氮的方式進(jìn)行向內(nèi)擴(kuò)散，從而使處于屏蔽段內(nèi)的包殼管表面形成擴(kuò)散層。

3.2 防滲涂料的防滲試驗(yàn)

3.2.1 防滲涂料

離子滲氮防滲涂料是水基的離子滲氮防滲涂料，可通過(guò)刷涂和浸蘸法簡(jiǎn)單使用，也可任意比例水混合使用，在工件表面有不錯(cuò)的黏附性和保護(hù)效果，滲氮后防滲涂料易清除，對(duì)管材的后續(xù)加工沒(méi)有影響。

3.2.2 防滲涂料化學(xué)成分檢測(cè)

根據(jù)與核電包殼管接觸的材料不能含有鹵素元素的核電技術(shù)要求，委托上海交通大學(xué)對(duì)離子滲氮專(zhuān)用防滲涂料進(jìn)行化學(xué)分析，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

檢測(cè)結(jié)果表明，防滲涂料中主要成分為CaCO3和SiO2，添加劑Wollastonite為硅灰石（Ca3（Si3O9）），是高聚物基復(fù)合材料的增強(qiáng)填料；添加劑ALbite為鈉長(zhǎng)石（NaAlSi3O8），是形成陶瓷體的釉料，成分中不含鹵素類(lèi)化合物，符合產(chǎn)品的使用條件要求。

為提高防滲涂料刷涂的質(zhì)量穩(wěn)定性，使用專(zhuān)用的防滲涂刷設(shè)備，與手工刷涂相比，效率提高，并且涂刷界限明顯，滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求。

3.2.3 滲氮防滲效果

與金屬屏蔽相比，涂料防滲效果優(yōu)于金屬屏蔽防滲（如圖4所示），涂料防滲后，屏蔽區(qū)無(wú)連續(xù)滲氮層，且厚度小于夾具屏蔽的滲氮層厚度，但是只用涂料防滲對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行防滲處理，滲氮后金相檢測(cè)在屏蔽區(qū)有少量的滲氮層。

3.3 最終采取的防滲措施及效果

根據(jù)金屬屏蔽與涂料防滲的工藝試驗(yàn)結(jié)果，最終的防滲方式為夾具+涂料的組合防滲。為進(jìn)一步驗(yàn)證離子滲氮專(zhuān)用防滲涂料的性能，進(jìn)行了多爐防滲驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.3.1 防滲驗(yàn)證試驗(yàn)條件（金屬屏蔽+涂料組合防滲）

試驗(yàn)管長(zhǎng)度L=800mm，管下端部使用液壓鉗夾扁，其7支為刷涂，1支為蘸涂。刷涂部位：7支為屏蔽段76mm～96mm區(qū)段，1支為管材隨機(jī)位置，自然晾干30min。

3.3.2 防滲驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

防滲驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

3.3.3 試驗(yàn)小結(jié)

在進(jìn)行了一系列試驗(yàn)后，最終采用防滲涂料+金屬防滲的措施對(duì)不銹鋼管進(jìn)行防滲處理。滲氮后對(duì)滲氮區(qū)和屏蔽區(qū)進(jìn)行金相檢測(cè)（如圖5所示），檢測(cè)結(jié)果表明，使用防滲涂料+金屬屏蔽的效果良好，非滲氮區(qū)金相檢測(cè)未檢測(cè)到滲氮層出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

316L控制棒包殼管的低溫離子滲氮在保證耐蝕性不降低的情況下能大幅提高其表面硬度和耐磨性，為了方便后續(xù)加工，對(duì)非滲氮區(qū)使用金屬夾具和防滲涂料相結(jié)合的方法能起到良好的防滲效果，涂料的防滲使用專(zhuān)用設(shè)備能保證防滲涂層界限明顯，效率提高。

參考文獻(xiàn)

[1]甄利平，李濤，陶永良，等.不銹鋼控制棒離子滲氮外觀色差改善技術(shù)研究[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2021（10）：147-148.

[2]覃旭娟，盧俊強(qiáng)，郭相龍，等.離子滲氮對(duì)AISI304L不銹鋼磨損性能的影響[J].金屬熱處理，2016，41（1）：161-165.

[3]LEBRUN J P，POIRIER L，HERTZ D，et al.Environmentally

friendly low temperature plasma processing of stainless steel components

for nuclear industry[J].Surface Engineering，2002，18（6）：423-428.

[4]機(jī)械工業(yè)部機(jī)床研究所.離子滲氮指導(dǎo)資料[M].北京：北京市機(jī)械工業(yè)總公司技術(shù)開(kāi)發(fā)研究所，1983.

[5]趙程，孫定國(guó).奧氏體不銹鋼的低溫軟氮化處理[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（3）：238-241.

[6]甄利平，蔡云龍，陶永良，等.一種離子滲氮過(guò)程中吊掛管材的工裝夾具：CN202122804742.8[P].2024-11-07.