CN105483604A - 一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，属化学热处理技术领域，本发明于450℃～470℃，采用混合渗碳剂对奥氏体不锈钢进行气体渗碳处理，所述混合渗碳剂由气相渗碳剂和液相稀土催渗剂组成，所述气相渗碳剂由CO、H2和N2组成；所述液相稀土催渗剂由氯化稀土与甲醇的溶液组成；该气相渗碳剂和液相稀土催渗剂的溶剂甲醇在渗碳炉内气化后产生的气体共同构成渗碳炉气，其液相稀土催渗剂的稀土元素的质量分数为渗碳炉气质量分数的0.8～1.5％，保持处理24～48h，在原气氛炉中冷至150℃以下，即在奥氏体不锈钢获得表面硬度为850HV～1200HV的耐蚀强化渗碳层，本发明提高了奥氏体不锈钢耐蚀强化的处理效率，降低了生产成本。

Description

一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法
技术领域
本发明一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，属化学热处理技术领域。
技术背景
奥氏体不锈钢广泛应用于机械、化工、交通运输、医疗卫生、日常生活等领域，是目前用量最大的耐蚀金属材料。但是奥氏体不锈钢存在一个非常明显的不足就是这种材料的强度不高，直接表现为低的表面硬度、耐磨性能和抗疲劳性能，严重影响其使用范围和使用寿命，进行表面强化处理十分必要。
过去，工业应用的奥氏体不锈钢表面强化方式主要有离子注入、表面沉积、热喷涂以及化学热处理等。这些表面强化技术都不同程度地存在着不足，如，离子注入法存在注入层浅、视觉效应及难以大规模生产等问题，表面沉积(电沉积、化学沉积、气相沉积等)和热喷涂处理存在覆层与基体之间结合力较低的问题，而且，这些方法制备的覆层无法保证完全致密，腐蚀介质一旦穿过表层渗入界面，将会造成严重的电偶腐蚀；常规化学热处理(如渗碳、渗氮等)，因渗碳(氮)而引起奥氏体不锈钢耐蚀性下降，大大限制了该方法在奥氏体不锈钢领域的应用。
上世纪八十年代，荷兰学者B.H.Kolster发现奥氏体不锈钢在较低温度下渗入碳(氮)原子不仅可以大幅度提高不锈钢的硬度，而且不会造成其耐腐蚀性能的下降，从而发展起奥氏体不锈钢的低温渗碳(氮)技术。目前奥氏体不锈钢在临界温度之下低温硬化处理方法主要有气体法、离子法。鉴于工艺过程的特性，真正适用于复杂零件批量处理的工艺是渗碳工艺，尤以气体法更优。实现奥氏体不锈钢低温气体耐蚀渗碳强化在技术上的主要障碍有两点：一是奥氏体不锈钢表面钝化膜的去除。奥氏体不锈钢实现其耐腐蚀性能的关键是表面可生成连续致密的Cr2O3钝化膜，但这层致密膜又成为阻碍渗碳过程中C原子向基体内扩散的主要因素。因此，渗碳处理时必须去除Cr2O3钝化膜并保证在整个工艺过程中不再重新生成。目前，这一技术已有突破，并有专利报道，同时，以美国Swagelok公司为首的一些厂家已在欧美国家获得工业应用。妨碍奥氏体不锈钢低温气体耐蚀渗碳推广应用的另一障碍是强化处理周期过长的问题。为了防止渗碳处理时渗层中的Cr与C反应生成Cr2O3使得基体的Cr含量下降，从而导致不锈钢耐蚀性降低，必须在Cr的碳化物形成温度之下的较低温度(如低于500℃)进行耐蚀渗碳处理，这就大大延长了渗碳周期(一般需进行数十小时甚至上百小时才可能得到有实用价值的渗碳层)，增加了生产成本，影响该技术的扩大应用。
在实现了表面钝化膜的有效去除之后，奥氏体不锈钢低温耐蚀强化处理的关键是如何有效提高该工艺的处理效率，以适应不锈钢应用发展的需要，目前，这一问题并未得到有效解决。稀土是一类化学性质非常特殊的金属元素，稀土及稀土化合物用于冶金过程已有多年的历史，在化学热处理领域也有不少应用，主要用来提高热处理效率，如稀土催渗的气体渗碳、离子渗氮等。但是，稀土作为催渗元素用于化学热处理工艺的现有技术，其处理温度均在500℃以上(如渗碳在900℃左右，渗氮在520～560℃)，到目前为止，未见有奥氏体不锈钢在低于500℃的低温渗碳过程采用稀土催渗处理的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，通过采用氯化稀土作为低温渗碳的催渗元素，达到在低于500℃的低温条件下的催渗效果，并且，该氯化稀土催渗元素在渗碳气氛中分解出的微量氯元素能有效抑制渗碳过程中不锈钢表面钝化膜的形成，从而显著缩短了低温渗碳处理的周期，提高奥氏体不锈钢耐蚀强化的处理效率和奥氏体不锈钢表面硬度。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，是将奥氏体不锈钢进行有效前处理和表面钝化膜去除之后，渗碳炉温保持在450℃～470℃的低温条件下，采用混合渗碳剂对奥氏体不锈钢进行气体渗碳处理，所述混合渗碳剂由气相渗碳剂和液相稀土催渗剂组成，所述气相渗碳剂由CO、H2和N2组成；所述液相稀土催渗剂由氯化稀土与甲醇的溶液组成；该气相渗碳剂和液相稀土催渗剂的溶剂甲醇在渗碳炉内气化后产生的气体共同构成渗碳炉气，其液相稀土催渗剂的稀土元素的质量分数为渗碳炉气质量分数的0.8～1.5％，根据单位体积气相渗碳剂的质量和单位体积基准液相稀土催渗剂稀土元素的质量，再按渗碳炉气中稀土元素所占的质量百分数，计算求得需要对应加入的既含稀土元素，又可气化为渗碳炉气的基准液相稀土催渗剂的数量；所述气相渗碳剂和液相稀土催渗剂分别通过管路计量、滴注计量，同时向渗碳炉中送入，保持处理24～48h，在原气氛中炉冷至150℃以下，即可在奥氏体不锈钢获得表面硬度为850HV～1200HV的耐蚀强化渗碳层。
所述由CO、H2和N2组成的气相渗碳剂，其按体积分数的组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2。
所述液相稀土催渗剂的氯化稀土为单一氯化稀土或混合氯化稀土。
所述氯化稀土按平均分子量为246～247、其稀土元素平均原子量为139～140计算。
本发明具有以下特点：
本发明是奥氏体不锈钢低温耐蚀气体渗碳技术的发展与提升。本发明充分利用稀土元素高负电性、高活性的特点，加快了物理冶金反应过程，加速了低温条件下C原子在奥氏体中的扩散速率，提高了奥氏体不锈钢低温耐蚀气体渗碳的速度，大幅度缩短了渗碳周期。本发明将固态稀土化合物液态化，并采用一种便捷的方式滴注送入渗碳炉内，在渗碳罐中实现气相催渗剂与液相催渗组分的混合，达到对奥氏体不锈钢低温渗碳进行稀土催渗的目的。本发明采用氯化稀土作为催渗元素，不仅达到了催渗效果，而且在渗碳过程中，渗碳气氛中分解出的微量氯元素，可以很好地防止不锈钢表面在微氧含量气氛中可能生成的Cr2O3，抑制钝化膜的形成。本发明提高了奥氏体不锈钢耐蚀强化的处理效率，降低了生产成本。
附图说明
图1本发明渗碳处理工艺流程示意图；
图2按本发明处理的AISI316奥氏体不锈钢渗碳层金相组织示意图；
图3按本发明处理的AISI316奥氏体不锈钢硬度及硬度分布示意图。
具体实施方式
现结合实施例进一步说明本发明是如何实施的：
1、配制气相渗碳剂：
气相渗碳剂按体积分数的组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2，气相催渗剂的平均分子量通过下式28×25％+2×10％+28×65％计算为25.4，按计算式25.4÷22.4＝1.13，计算得到以升为单位的气相催渗剂的质量为1.13g/L。
2、配制液相稀土催渗剂：
1)配制基准液相稀土催渗剂：
在搅拌条件下，将20g氯化稀土(ReCl3)完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催渗剂，计算得到以毫升为单位的基准液相稀土催渗剂的氯化稀土、稀土元素的质量分别为氯化稀土0.2g/ml，稀土元素0.11g/ml。
2)按照渗碳炉气中稀土元素的质量百分数，计算求得需要对应滴注加入的基准液相稀土催渗剂的数量：
以上述每升气相催渗剂的质量为1.13g、每毫升基准液相稀土催渗剂中含稀土元素0.11g为依据，按液相稀土催渗剂的甲醇密度为0.79计算，即可计算得到按渗碳炉气中0.8％～1.5％的稀土元素的质量分数，所需要对应滴注加入的既含稀土元素，又可气化为渗碳炉气的基准液相稀土催渗剂的毫升数。
例如：按向渗碳炉中通入的稀土元素质量分数为渗碳炉气的1％计，设每通入1L气相渗碳组分需滴注送入液相稀土催渗剂为xml，其甲醇密度以0.79计算，每mL基准液相稀土催渗剂之稀土元素的质量为0.11x(g)，渗碳炉气质量为1.13+0.79x(g)，有下式：0.11x÷(1.13+0.79x)＝1％
解得：x＝0.11(ml)
即求得：每通入1L上述气相渗碳组分，需滴注送入的基准液相稀土催渗剂为0.11ml。
关于通入渗碳炉中的气体流量，如业内常规：通入渗碳炉中的气体流量与渗碳炉罐的容积相关，每小时通入渗碳炉中气相渗碳剂的总体积应为渗碳炉罐容积的3～7倍，大型炉取下限，小型炉取上限。
实施例1：AISI316奥氏体不锈钢低温气体氯化镧催渗渗碳。
1、配制气相渗碳剂：
按气相渗碳剂体积分数组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2，配制气相渗碳剂，所得到的单位体积气相催渗剂的质量为1.13g/L。
2、配制液相稀土催渗剂：
由氯化稀土与甲醇溶液组成的液相稀土催渗剂，其氯化稀土采用分子量约246的氯化镧(LaCl3)；在搅拌条件下，将20g氯化镧完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催渗剂，得到单位体积液相稀土催渗剂质量为：氯化镧0.2g/ml，对应镧元素0.11g/ml。
3、进行奥氏体不锈钢低温气体催渗渗碳处理：
采用的液相稀土催渗剂的稀土元素的质量分数为渗碳炉气的1％。渗碳处理工艺流程如下：(如图1所示)
1)去除待处理的AISI316奥氏体不锈钢制工件及随炉检测试样表面的油渍，放入专用奥氏体不锈钢低温气体渗碳炉中，关闭炉盖，排除炉内空气并升温；
2)升温至250℃，通入含有卤素成分的预处理混合气，保温2h，进行去除奥氏体不锈钢表面Cr2O3钝化膜处理；
3)升温至470℃，将上述配制的质量为1.13g/L的气相渗碳剂，由管路计量送入渗碳炉中(根据渗碳炉罐的容积确定气相渗碳剂流量)，每通入1L上述气相渗碳剂，对应滴注送入渗碳炉的上述液相氯化镧催渗剂为0.11ml，如此处理48h。随着渗碳时间延长，可逐渐降低CO比例、提高N2比例，由于CO与N2分子量相同，不影响通入气体的质量。
4)停止加热、停止供给渗碳剂，在原气氛中炉冷至150℃以下，即可打开炉盖，取出工件。
4、渗碳层检测：采用金相显微镜和显微硬度计检测随炉试样的金相组织、渗层厚度和表面硬度、硬度梯度分布，结果显示，经上述工艺处理后AISI316奥氏体不锈钢的白层厚度为50μm，总渗碳层深度为84μm，表面硬度达1200HV；与同等条件下未添加稀土元素的奥氏体不锈钢低温气体渗碳处理后的结果相比，表面硬度和总渗碳层深度分别提高了16.3％和23.4％。经过低温气体催渗渗碳处理的AISI316奥氏体不锈钢渗碳层金相组织、硬度及硬度分布见图2、图3。
实施例2：AISI316奥氏体不锈钢低温气体氯化镧催渗，短时渗碳。
1、配制气相渗碳剂：
按气相渗碳剂体积分数组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2，配制气相渗碳剂，所得到的单位体积气相催渗剂的质量为1.13g/L。
2、配制液相稀土催渗剂：
由氯化稀土与甲醇溶液组成的液相稀土催渗剂，其氯化稀土采用分子量约246的氯化镧(LaCl3)；在搅拌条件下，将20g氯化镧完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催渗剂，得到单位体积液相稀土催渗剂质量为：氯化镧0.2g/ml，对应镧元素0.11g/ml。
3、进行奥氏体不锈钢低温气体催渗渗碳处理：
采用的液相稀土催渗剂的稀土元素的质量分数为渗碳炉气的1％。渗碳处理工艺流程如下：(如图1所示)
1)去除待处理的AISI316奥氏体不锈钢制工件及随炉检测试样表面的油渍，放入专用奥氏体不锈钢低温气体渗碳炉中，关闭炉盖，排除炉内空气并升温；
2)升温至250℃，通入含有卤素成分的预处理混合气，保温2h，进行去除奥氏体不锈钢表面Cr2O3钝化膜处理；
3)升温至470℃，将上述配制的质量为1.13g/L的气相渗碳剂，由管路计量送入渗碳炉中(根据渗碳炉罐的容积确定气相渗碳剂流量)，每通入1L上述气相渗碳剂，对应滴注送入渗碳炉的上述液相氯化镧催渗剂为0.11ml，如此处理24h。随着渗碳时间延长，可逐渐降低CO比例、提高N2比例，由于CO与N2分子量相同，不影响通入气体的质量。
4)停止加热、停止供给渗碳剂，在原气氛中炉冷至150℃以下，即可打开炉盖，取出工件。
4、采用金相显微镜和显微硬度计检测随炉试样的金相组织、渗层厚度和表面硬度、硬度梯度分布，结果显示，经上述工艺处理后AISI316奥氏体不锈钢的白层厚度为38μm，总渗碳层深度为53μm，表面硬度达860HV。
实施例3：AISI316奥氏体不锈钢低温气体混合氯化稀土催渗渗碳。
1、配制气相渗碳剂：
按气相渗碳剂体积分数组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2，配制气相渗碳剂，所得到的单位体积气相催渗剂的质量为1.13g/L。
2、配制液相稀土催渗剂：
由氯化稀土与甲醇溶液组成的液相稀土催渗剂，其氯化稀土采用混合氯化稀土(29.3％LaCl3、50.4％CeCl3、5.1％PrCl3、15.1％NdCl3)平均分子量247；在搅拌条件下，将20g上述混合氯化稀土完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催渗剂，得到单位体积液相稀土催渗剂质量为：混合氯化稀土0.2g/ml，对应混合稀土元素0.11g/ml。
3、进行奥氏体不锈钢低温气体催渗渗碳处理：
渗碳处理工艺流程如下：(如图1所示)
1)去除待处理的AISI316奥氏体不锈钢制工件及随炉检测试样表面的油渍，放入专用奥氏体不锈钢低温气体渗碳炉中，关闭炉盖，排除炉内空气并升温；
2)升温至250℃，通入含有卤素成分的预处理混合气，保温2h，进行去除奥氏体不锈钢表面Cr2O3钝化膜处理；
3)升温至470℃，向渗碳炉中通入混合渗碳剂：将按步骤1配制的质量为1.13g/L的气相渗碳剂，由管路计量送入渗碳炉中(根据渗碳炉罐的容积确定气相渗碳剂流量)，每通入1L上述气相渗碳剂，对应滴注送入渗碳炉的上述液相混合氯化稀土催渗剂为0.11ml，如此处理48h。随着渗碳时间延长，可逐渐降低CO比例、提高N2比例，由于CO与N2分子量相同，不影响通入气体的质量。
4)停止加热、停止供给混合渗碳剂，在原气氛中炉冷至150℃以下，即可打开炉盖，取出试件。
4、渗层检测：采用金相显微镜和显微硬度计检测随炉试样的金相组织、渗层厚度和表面硬度、硬度梯度分布，结果显示，经上述工艺处理后AISI316奥氏体不锈钢的白层厚度为45μm，总渗碳层深度为80μm，表面硬度达1100HV。
实施例4：AISI316奥氏体不锈钢低温气体氯化镧催渗渗碳(以较高催渗剂比例)
1、配制气相渗碳剂：
按气相渗碳剂体积分数组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2，配制气相渗碳剂，所得到的单位体积气相催渗剂的质量为1.13g/L。
2、配制液相稀土催渗剂：
由氯化稀土与甲醇溶液组成的液相稀土催渗剂，其氯化稀土采用分子量约246的氯化镧(LaCl3)；在搅拌条件下，将20g氯化镧完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催渗剂，得到单位体积液相稀土催渗剂质量为：氯化镧0.2g/ml，对应镧元素0.11g/ml。
3、进行奥氏体不锈钢低温气体催渗渗碳处理：
采用的液相稀土催渗剂的稀土元素的质量分数为渗碳炉气的1.5％。
设每通入1L气相渗碳组分需滴注送入液相催渗组分为xml(甲醇密度以0.79计算)，则稀土元素的质量为0.11x(g)，渗碳炉气质量为(1.13+0.79x)(g)，有下式：0.11x÷(1.13+0.79x)＝1.5％
解得：x＝0.17(ml)
即，每通入1升上述气相渗碳组分，需滴注送入液相催渗组分为0.17毫升。渗碳处理工艺流程如下：(如图1所示)
1)去除待处理的AISI316奥氏体不锈钢制工件及随炉检测试样表面的油渍，放入专用奥氏体不锈钢低温气体渗碳炉中，关闭炉盖，排除炉内空气并升温；
2)升温至250℃，通入含有卤素成分的预处理混合气，保温2h，进行去除奥氏体不锈钢表面Cr2O3钝化膜处理；
3)升温至470℃，将上述配制的质量为1.13g/L的气相渗碳剂，由管路计量送入渗碳炉中(根据渗碳炉罐的容积确定气相渗碳剂流量)，每通入1L上述气相渗碳剂，对应滴注送入渗碳炉的上述液相氯化镧催渗剂为0.17ml，如此处理48h。随着渗碳时间延长，可逐渐降低CO比例、提高N2比例，由于CO与N2分子量相同，不影响通入气体的质量。
4)停止加热、停止供给渗碳剂，在原气氛中炉冷至150℃以下，即可打开炉盖，取出工件。
4、渗碳层检测：
采用金相显微镜和显微硬度计检测随炉试样的金相组织、渗层厚度和表面硬度、硬度梯度分布，结果显示，经上述工艺处理后AISI316奥氏体不锈钢的白层厚度为50μm，总渗碳层深度为85μm，表面硬度达1150HV。

Claims (3)

1.一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，其特征在于，将奥氏体不锈钢进行有效前处理和表面钝化膜去除之后，渗碳炉温保持在450℃～470℃的低温条件下，采用混合渗碳剂对奥氏体不锈钢进行气体渗碳处理，所述混合渗碳剂由气相渗碳剂和液相稀土催渗剂组成，所述气相渗碳剂由CO、H2和N2组成；所述液相稀土催渗剂由氯化稀土与甲醇的溶液组成；该气相渗碳剂和液相稀土催渗剂的溶剂甲醇在渗碳炉内气化后产生的气体共同构成渗碳炉气，其液相稀土催渗剂的稀土元素的质量分数为渗碳炉气质量分数的0.8～1.5％，根据单位体积气相渗碳剂的质量和单位体积基准液相稀土催渗剂稀土元素的质量，再按渗碳炉气中稀土元素所占的质量百分数，计算求得需要对应加入的既含稀土元素，又可气化为渗碳炉气的基准液相稀土催渗剂的数量；所述气相渗碳剂和液相稀土催渗剂分别通过管路计量、滴注计量，同时向渗碳炉中送入，保持处理24～48h，在原气氛中炉冷至150℃以下，即在奥氏体不锈钢获得表面硬度为850HV～1200HV的耐蚀强化渗碳层。
2.根据权利要求1所述的一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，其特征在于，由CO、H2和N2组成的气相渗碳剂，其按体积分数的组成为(35％～15％)CO+10％H2+(55％～75％)N2。
3.根据权利要求1所述的一种提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳速度的催渗方法，其特征在于，液相稀土催渗剂的氯化稀土为单一氯化稀土或混合氯化稀土。
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