近年來，隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，內(nèi)燃機機型和產(chǎn)量不斷增加，隨著汽車發(fā)動機高功率化所產(chǎn)生的排氣溫度上升，排氣凈化率標準提高以及汽車輕量化的需求，對材料耐蝕性耐磨性、抗氧化性、高溫性能和熱強性等提出了苛刻的要求。
汽車排氣閥是發(fā)動機上重要的工作部件及易損件，其工作條件異常惡劣，要在高溫、高壓、腐蝕性燃氣中經(jīng)受頻繁往復(fù)的高速運動和摩擦，沖擊負荷大，因此要求有較高的高溫性能、耐磨性能、耐腐蝕性能等，其工作的好壞直接影響到發(fā)動機的工作性能，故制備排氣閥的材料要求也極為苛刻。自從發(fā)動機問世以來，氣閥鋼的材料已經(jīng)歷了碳鋼和低合金鋼，硅鉻型不銹鋼，奧氏體型耐熱鋼等多個發(fā)展階段。目前，國內(nèi)外使用最多的是奧氏體型耐熱鋼，而這種耐熱鋼系列中，常見的有：4Cr10Si2Mo，4Cr9Si2，5Cr21Mn9Ni2N（21–2N），5Cr21Mn9Ni4N（21–4N）等鋼種。
其中21–4N鋼是上世紀50年代為節(jié)鎳開發(fā)的閥門用奧氏體時效鋼，目前國內(nèi)外用于制造汽車、摩托車發(fā)動機排氣閥應(yīng)用最廣的鋼號，它是以奧氏體為基體，以碳、氮化合物作為沉淀硬化相對散分布以獲得足夠的高溫強度、韌性、較高的硬度、耐磨性以及在冷熱交變條件下組織的穩(wěn)定性和較好的抗氧化、耐腐蝕性能，在工作溫度700℃下具有良好的力學(xué)性能和高溫性能。由于21–4N鋼碳氮錳含量較高，其變形抗力較1Cr18Ni9Ti高30％，室溫下強度高、塑性低、脆性大，且加工硬化效應(yīng)明顯，熱變形溫度范圍窄，變形抗力大，生產(chǎn)過程中如鍛造、熱軋、冷拔時易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品成品率較低，國內(nèi)一些專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)該鋼種的成品率僅70％–80％，這也是當前該材料亟待解決的重要問題。
1.2 論文的總體思路及主要研究內(nèi)容
21–4N奧氏體熱鋼具有很好的耐蝕性能，它主要用來制造發(fā)動機的排氣閥。發(fā)動機的排氣閥不但要求具有良好的耐蝕性能和耐熱性能，而且需要良好的耐磨性能。但21–4N奧氏體耐熱鋼的硬度較低、耐磨性能較差。要用來制造排氣閥就必須進行化學(xué)處理來提高表面硬度及耐磨性，但用常規(guī)的熱處理方法又難以對21–4N耐熱鋼進行強化。氮化是化學(xué)處理的一種方法，采用氮化能大大提高材料的表面硬度和耐磨性。
因為奧氏體耐熱鋼含Cr較高，表面會形成含Cr2O3較高的鈍化膜，這種鈍化膜很致密，而且很穩(wěn)定，它阻礙氮原子的滲入，使氮化無法實現(xiàn)。人們想了很多辦法來清除鈍化膜。例如：將工件進行酸洗或爐內(nèi)腐蝕處理，可去除鈍化膜。
本文主要研究21–4N奧氏體耐熱鋼的表面預(yù)先處理工藝，并將預(yù)先處理后的21–4N進行軟氮化。該預(yù)先處理工藝為奧氏體耐熱鋼進行軟氮化提供了一條合理的途徑。并對于21–4N鋼進行軟氮化的三種軟氮化方法作一下對比研究，得出最優(yōu)化的軟氮化工藝方法。