CN105603359A - 一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，在辉光离子氮化炉中，放置表面洁净、干燥的奥氏体不锈钢件，首先将炉内空气抽空，并用高纯氢气清洗炉膛，然后在高电压下充入氩气辉光放电去除不锈钢表面钝化膜，以得到活化表面，辉光放电过程中，由于等离子体轰击作用，不锈钢温度上升，当温度升至渗碳温度时，关闭氩气，通入含碳还原性气氛至一定压力进行渗碳，渗碳完成后将不锈钢置于腐蚀溶液中浸泡去除工件表面不耐腐蚀层，实现了奥氏体不锈钢硬度和耐腐蚀性能的提高。本发明处理后的不锈钢具有表面渗碳层均匀，安全可靠，无污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及化学热处理领域，具体涉及一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法。
背景技术
奥氏体不锈钢在不锈钢领域中占有极为重要的地位。由于奥氏体不锈钢优良的耐蚀性能、常温和低温塑韧性、无磁性、加工成型性及可焊接性而广泛用于阀门、石油管道、化工、车辆工程等领域。但是奥氏体不锈钢具有面心立方结构，表面硬度较低，在工程应用中容易产生表面接触疲劳或磨损破坏，极大地限制了奥氏体不锈钢的发展应用。因此，奥氏体不锈钢表面强化工艺的发展，是促进此类材料发展的关键。
为改善奥氏体不锈钢的表面硬度，国内外学者做了大量的研究探索工作。目前，用于不锈钢强化技术主要有表面沉积、离子注入、热喷涂以及表面化学热处理等。由于不锈钢表面容易形成致密的Cr2O3保护膜，表面沉积及离子注入方法均存在硬化层厚度很薄，覆盖不致密，与基体结合不牢固等问题。另外，这类方法虽然能在一定程度上提高不锈钢的表面硬度，但却严重的降低了其耐蚀性能。相对而言，表面化学热处理能通过优化工艺，在不降低耐蚀性能的情况下提高奥氏体不锈钢的表面硬度，是一种前景较为广阔的不锈钢硬化技术。
常用的奥氏体不锈钢硬化处理的表面化学热处理有：低温离子渗氮、固溶渗氮、低温离子碳氮共渗及低温离子渗碳技术。低温离子渗氮及碳氮共渗表面硬化层渗层薄，脆性大，不利于在表面应力较大的环境下工作。固溶渗氮由于处理温度高，处理过程中工件极易形变，不适于对尺寸精度要求较高的场合。低温辉光离子渗碳技术是一种利用高电压辉光放电电离气体以得到碳的等离子体，并在低于敏化温度下使碳元素扩散进入奥氏体不锈钢表面的渗碳工艺。奥氏体不锈钢经过低温辉光离子渗碳后，表面硬度显著提高，硬度梯度平缓，硬化层厚度均匀，且耐蚀性能不降低甚至有所改善。作为一种有着广泛前景的不锈钢硬化新工艺，低温离子渗碳技术已在欧美等发达国家引起了高度关注，设计开发了许多关于低温离子渗碳的新工艺新方法。总的来说，新型工艺和方法的提出，主要目的是解决三个问题：第一，怎样有效的去除不锈钢表面钝化膜而不影响后续渗碳；第二，由于低温环境下，碳在奥氏体中扩散较慢，怎样通过改变工艺参数提高生产效率；第三，怎样保证渗碳后的不锈钢兼具所需的渗层深度和良好的耐蚀性能。如渗碳前用氯化氢气体或盐酸清洗试样表面、活性屏离子渗碳、工件受拉状态下渗碳等。
发明内容
本发明的目的在于解决不锈钢去钝化膜问题，提供一种提高仪表阀门及管接件中奥氏体不锈钢部件硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，包括以下步骤：
1)将表面洁净、干燥的不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用高纯氢气清洗炉膛2-3次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；
2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲高电压，并充入氩气使渗碳炉内的压力为100～200Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜；工件表面不允许存在打弧现象，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；
3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体至渗碳炉内压力为300～450Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为650～800V，渗碳炉内气压为300～450Pa，渗碳温度为350～500℃，保温6～20小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持2～4小时，完成后关闭电压输入，关闭气体；
4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入保护气体进行冷却；
5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入50～100℃的腐蚀溶液中，浸泡2～4h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O按一定比例混合而成。
所述不锈钢为奥氏体不锈钢。
所述步骤3)，所述含碳还原性气体为氢气和甲烷的混合气。
所述氢气和甲烷的流量比为600:1～20。
所述步骤3)，渗碳后得到的不锈钢的渗碳层厚度为10～100μm。
所述步骤4)，所述保护气体为氮气。
所述步骤4)，当不锈钢冷却到200℃以下时，将不锈钢从渗碳炉内取出，自然冷却。
所述步骤5)的腐蚀溶液中，H2SO4的浓度为10～40%，KMnO4的浓度为1～5%，H3PO4的浓度为10～20%。
本发明采用以上技术方案，利用氩气等离子轰击作用去除不锈钢表面氧化膜，本发明去除不锈钢氧化膜的原理是：奥氏体不锈钢在普通环境中极易在表面形成一层致密的Cr2O3氧化膜，氧化膜的存在使得不锈钢具有不锈性，但在渗碳过程中阻碍了碳原子进入工件内部，达不到渗碳的效果。目前奥氏体不锈钢低温渗碳主要采用HCl气体或盐浴去除氧化膜，不仅存在安全隐患，且容易腐蚀设备造成设备使用寿命减少。本发明是在高电压状态下通入氩气，使氩气电离形成等离子态。等离子态的氩在电场作用下高速撞击作为阴极的工件。由于氩原子的质量较重，故能较为充分的去除工件表面的氧化膜，而不对炉膛造成腐蚀，该方法去除氧化膜后渗碳层可达到:10～100μm。
本发明后处理方法是：低温辉光离子渗碳过程中，炉膛内碳的等离子体轰击奥氏体不锈钢表面，并与不锈钢中铁、铬等碳化物形成元素结合，造成表面碳势较高。渗碳完成后，表面的碳元素主要以炭黑、Fe3C、碳化铬等形式存在，严重影响了不锈钢表面的耐腐蚀性。因此本发明采用H2SO4、KMnO4和H3PO4的混合溶液作为腐蚀液，较好的去除了渗碳后的不锈钢表面不耐腐蚀层，而对渗层影响不大。
本发明解决了以下三个问题：1、提高奥氏体不锈钢表面硬度。由于奥氏体不锈钢基体硬度较低，不能应用于磨损较大的场合，极大的限制了奥氏体不锈钢材料的应用，通过本发明处理后的奥氏体体不锈钢表面硬度能达到HV0.3600～800，解决了材料表面不耐磨的问题。2、解决不锈钢去钝化膜问题，现有不锈钢的低温渗碳方法通常使用HCl气体或盐浴，不仅存在安全隐患，且容易腐蚀设备造成设备使用寿命减少。3、渗碳后通过后处理提高奥氏体不锈钢表面的耐蚀性能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1.低温辉光离子渗碳过程中，由于渗碳温度较低，碳原子在奥氏体中扩散较慢，时间过短则表面碳势过高而渗碳层深度不足，时间过长则奥氏体中的铬元素容易以碳化物的形式析出造成钢的耐蚀性能下降。本发明在渗碳过程中保证了保温扩散时间（渗碳过程中的直流脉冲电压为650～800V，渗碳炉内气压为300～450Pa，渗碳温度为350～500℃，保温6～20小时），使表面碳元素能充分扩散进入不锈钢内部，碳浓度梯度更加平缓，表面碳势降低，渗层深度提高，在保证渗碳层深度的基础上提高了耐蚀性能。
2.本发明采用氩气辉光放电轰击工件表面以去除奥氏体不锈钢表面氧化膜，不使用含卤素的气体或熔融浴，因此，可使工艺步骤更为简化而大幅降低制造成本，且对设备基本不造成腐蚀；同时，由于不需使用含卤素的气体，故可提升工序实施过程中的安全性，亦可使环境免受卤化物的污染。
3.本发明引入渗碳后处理工序，在保证一定渗碳层深度的基础上，极大地提高了奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能。如图1所示，渗层厚度为30μm,渗碳前点蚀电位为375mv，渗碳后点蚀电位647mv。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：
图1为采用本发明方法渗碳前后不锈钢渗碳件的点蚀电位以及渗碳层厚度图；
图2为实施例1的不锈钢的渗碳层厚度图；
图3为对比例1不做去氧化膜处理的的不锈钢的渗碳层厚度图；
图4为对比例2不做保温扩散处理的不锈钢的渗碳层厚度图；
图5为实施例1的不锈钢的点蚀电位图；
图6为对比例3不浸泡于腐蚀溶液中的不锈钢的点蚀电位图。
具体实施方式
一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，包括以下步骤：
1)将表面洁净、干燥的奥氏体不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用高纯氢气清洗炉膛2-3次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；
2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲高电压，并充入氩气使渗碳炉内的压力为100～200Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜；工件表面不允许存在打弧现象，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；
3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体（氢气和甲烷的混合气，所述氢气和甲烷的流量比为600:1～600：20）至渗碳炉内压力为300～450Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为650～800V，渗碳炉内气压为300～450Pa，渗碳温度为350～500℃，保温6～20小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持2～4小时，完成后关闭电压输入，关闭气体；
4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入氮气进行冷却，当不锈钢冷却到200℃以下时，可取出自然冷却；
5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入50～100℃的腐蚀溶液中，浸泡2～4h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O混合而成，腐蚀溶液中，H2SO4的浓度为10～40%，KMnO4的浓度为1～5%，H3PO4的浓度为10～20%。
渗碳后得到的不锈钢的渗碳层厚度为10～100μm。
实施例1
一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，包括以下步骤：首先将同批316不锈钢在80℃除油溶剂中除油，浸泡10分钟后，用蒸馏水洗净不锈钢表面残留液，并吹干，备用；
1)将上述步骤得到的表面洁净、干燥的316不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用高纯氢气清洗炉膛2次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；
2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲高电压，并充入氩气至渗碳炉内的压力为100Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜；工件表面不允许存在打弧现象，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；
3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体（氢气和甲烷的混合气，所述氢气和甲烷的流量比为600:10）至渗碳炉内压力为400Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为700V，渗碳炉内气压为400Pa，渗碳温度为420℃，保温7小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持2小时，完成后关闭电压输入，关闭气体；
4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入氮气进行冷却，当不锈钢冷却到200℃以下时，可取出自然冷却；
5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入50℃的恒温腐蚀溶液中，浸泡2h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O混合而成，腐蚀溶液中，H2SO4的浓度为25%，KMnO4的浓度为3%，H3PO4的浓度为15%。
实施例2
一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，包括以下步骤：
1)将表面洁净、干燥的奥氏体不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用高纯氢气清洗炉膛3次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；
2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲高电压，并充入氩气至渗碳炉内的压力为200Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜；工件表面不允许存在打弧现象，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；
3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体（氢气和甲烷的混合气，所述氢气和甲烷的流量比为600:1）至渗碳炉内压力为300Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为650V，渗碳炉内气压为300Pa，渗碳温度为350℃，保温6小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持3小时，完成后关闭电压输入，关闭气体；
4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入氮气进行冷却，当不锈钢冷却到200℃以下时，可取出自然冷却；
5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入80℃的恒温腐蚀溶液中，浸泡3h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O混合而成，腐蚀溶液中，H2SO4的浓度为10%，KMnO4的浓度为5%，H3PO4的浓度为20%。
实施例3
一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，包括以下步骤：
1)将表面洁净、干燥的奥氏体不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用高纯氢气清洗炉膛2-3次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；
2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲高电压，并充入氩气至渗碳炉内的压力为150Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜；工件表面不允许存在打弧现象，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；
3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体（氢气和甲烷的混合气，所述氢气和甲烷的流量比为600:20）至渗碳炉内压力为450Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为800V，渗碳炉内气压为450Pa，渗碳温度为500℃，保温20小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持4小时，完成后关闭电压输入，关闭气体；
4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入氮气进行冷却，当不锈钢冷却到200℃以下时，可取出自然冷却；
5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入100℃的恒温腐蚀溶液中，浸泡2～4h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O混合而成，腐蚀溶液中，H2SO4的浓度为40%，KMnO4的浓度为1%，H3PO4的浓度为10%。
对比例1
按照实施例1的方法对316不锈钢进行处理，不同之处在于，所述步骤2）中充入氢气，进行辉光放电升温，其它工艺同实施例1。
对实施例1和对比例1处理得到的不锈钢，观察渗碳层晶相组织结构，结果表明，实施例1通过氩气辉光放电去氧化膜后的不锈钢试样渗碳层厚度为30μm（见图2），而对比例1不做去氧化膜处理的不锈钢渗碳件渗层厚度只有2μm（见图3）。
对比例2
按照实施例1的方法对316不锈钢进行处理，不同之处在于，所述步骤3）中，不锈钢不做保温扩散处理，其它工艺同实施例1。
对实施例1和对比例2处理得到的不锈钢，观察渗碳层晶相组织结构，结果表明实施例1做保温扩散处理的不锈钢试样渗层厚度为30μm（见图2），而对比例2不做保温扩散处理的不锈钢渗碳件渗层厚度为22μm且有1μm的黑色层（见图4）。
对比例3
按照实施例1的方法对316不锈钢进行处理，不同之处在于，对比例3的不锈钢渗碳完成后直接测试点蚀电位，不进行腐蚀溶液中浸泡，其它工艺同实施例1，实施例1的不锈钢在腐蚀溶液中浸泡后，再测试点蚀电位。
结果表明：实施例1做腐蚀处理的不锈钢试样点蚀电位为647mV（见图5），而对比例3不做腐蚀处理的不锈钢渗碳件点蚀电位只有128mV（见图6）。
Claims (8)
1.一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：其包括以下步骤：
1)将表面洁净、干燥的不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用氢气清洗炉膛2-3次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；
2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲电压，并充入氩气使渗碳炉内的压力为100～200Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；
3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体至渗碳炉内压力为300～450Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为650～800V，渗碳炉内气压为300～450Pa，渗碳温度为350～500℃，保温6～20小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持2～4小时，完成后关闭电压；
4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入保护气体进行冷却；
5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入50～100℃的腐蚀溶液中，浸泡2～4h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O按一定比例混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述不锈钢为奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述步骤3)，所述含碳还原性气体为氢气和甲烷的混合气。
4.根据权利要求3所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述氢气和甲烷的流量比为600:1～20。
5.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述步骤3)，渗碳后得到的不锈钢的渗碳层厚度为10～100μm。
6.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述步骤4)，所述保护气体为氮气。
7.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述步骤4)，当不锈钢冷却到200℃以下时，将不锈钢从渗碳炉内取出，自然冷却。
8.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，其特征在于：所述步骤5)的腐蚀溶液中，H2SO4的浓度为10～40%，KMnO4的浓度为1～5%，H3PO4的浓度为10～20%。
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