CN1058758C - 不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮热处理方法 - Google Patents

不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮热处理方法 Download PDF

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Abstract

一种在不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮热处理方法，它通过在含氮的气氛中，在1000-1200℃之间的温度下进行渗氮，随后以不析出氮化物的冷却速度进行冷却，在接近成品形状的不锈钢零件表面部分形成含≥0.30%(重量)溶解氮的奥氏体表面层。表面层强度得以提高，同时还具有奥氏体组织的高韧性，导致尤其在冲击磨损、气蚀及空蚀情况下显著提高的耐磨性，且耐腐蚀性能有所提高。

Description

不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮热处理方法
溶解的碳和氮能提高不锈钢中马氏体的硬度和奥氏体的屈服极限，并起着稳定奥氏体相的作用。添加碳会使不锈钢的耐温腐蚀性能降低，而添加氮则会改善此性能。氮的这种有利作用的利用，会降低氮在常压钢熔体中本来就比碳低得多的溶解度。因此，现今都采用增压冶金法或粉末冶金法来生产含氮量介于0.3-3％(重量)的不锈钢。但是，这些方法与常压炼钢法相比，会使成本高得多。
在德国专利DE 40 33 706中，记载了一种表面硬化处理，其中在对马氏不锈钢进行氮化之后，通过淬火使具有延性的芯部周围产生一层竖硬的马氏体表面层。此方法被用来处理耐蚀滚动轴承、传动件与工具，以及在夹带颗粒的流体中工作的耐蚀泵部件与阀门。在所有这些情况下，重要的是表面层的最高抗压强度与硬度，但伴随着这些性能的形成也产生脆变。
本发明的目的是提供一种在不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮热处理方法。
图1为表面渗氮后的一种奥氏体不锈钢X5 CrNiMo 17 122的硬度随距表面的距离而变化的关系示意图。
图2为在不同渗氮温度下氮的溶解度与渗氮分压之间的关系示意图。
图3为一种铁素体-奥氏体不锈复合钢由其渗氮表面向芯部过渡时的组织变化示意图。
图4为同一种钢材未经和经过表面渗氮后其重量磨损与负荷时间之间的关系示意图。
图5为同一种不锈复合钢材在渗氮前和渗氮后，在3重量％的NaCl水溶液中的电流密度-电位曲线。
本发明不要求钢中整体含氮量高。取而代之的是，仅将接近成品形状的不锈钢零件通过热处理而在表面部分以溶解的氮的形式富集氮，以便足以在由铁素体、奥氏体、马氏体或由这些组织成份中的二种或三种构成的混合物所构成的芯部组织的表层上形成高强度但坚韧的奥氏体表面层。本发明的热处理是在介于1000与1200℃之间的温度下、在一种提供氮的气氛中进行渗氮。处理时的温度、压力和时间的选择应使得能形成具有一定厚度的表面层，该层的表面部分含氮量介于下限0.3％(重量)与在渗氮过程中开始析出氮化物时给定的上限值之间。随后的冷却进行得如此快，以致即使在该时间范围内也不析出氮化物。随后在≤650℃温度下进行时效处理，可使表面层时效硬化。
与在DE 4033706中记载的表面硬化处理方法相反，本发明是在具有延性的或者坚硬的芯部周围产生一种强度尽可能高但具有韧性的奥氏体表面层(图1)。在本发明中，通过渗氮，使表面层中的奥氏体相稳定化，从而使表面区域中的马氏体或铁素体组织部分转变成奥氏体。同时，利用氮使奥氏体固溶强化，使表面层强度提高，而不发生脆变。基于所达到的强度与韧性的结合，本发明奥氏体表面层适合用来提高耐磨性，尤其是在诸如涡轮机等要求抗冲击磨损、气蚀及空蚀的场合。
下面根据一个实施例来阐明本发明。
对于在腐蚀介质中快速运转的泵叶轮，使用双联法炼制的铁素体-奥氏体双相不锈钢，其两相组织导致所要求的高的屈服极限。一种常见的失效是气蚀引起的磨损。参见图2，在1100℃和1200℃、1×105帕的氮分压下，氮的溶解度可分别达到约2重量％和≥1.1重量％。通过在1100℃和1200℃两条线之间插值估算可以得知，通过在氮气中、于1150℃及1×105帕斯卡压力下进行的渗氮，这种材料的表面部分固溶了有≯1.4％(重量)的氮。在实际渗氮操作中，氮的压力优选在2.5×104-2.25×105帕斯卡范围内。在图3中，可清楚看到冷却后铁素体-奥氏体芯部组织外围的全奥氏体表面层。将此表面层与未渗氮的芯部材料对比，进行气蚀磨损试验。在此试验中，用超声波发生器在20kHz频率和40μm振幅下，在蒸馏水中产生气泡场，此气泡场在试样表面引起内爆。图4中描绘了通气时间内以重量损失表示的磨损值。对本发明渗氮表面层而言，所产生的磨损速度为0.0356mg/103秒，对未渗氮的钢而言，磨损速度为1.53mg/103秒。因此，经表面渗氮，磨损速度降低43倍。从图5中可举出电流密度-电位曲线的例子：通过表面渗氮而使耐人造海水湿腐蚀的能力轻而易举地得以改善。在大致相同的钝化电流密度下，渗氮试样的击穿电位比未渗氮试样提高了。
就泵叶轮的传动而言，试验结果表明，芯部的铁素体-奥氏体复相组织的高屈服强度保留了下来，从而在高旋转速度下保留了承载能力。同时，渗氮的奥氏体表面层只要未被消耗掉，就会使气蚀磨损速度明显降低。涉及到成本的是，这样就取消了对双联法钢常用的、由1020-1100℃下的固溶退火和急冷工序组成的热处理。取而代之的是渗氮和冷却，从而只产生对较长处理时间和渗氮气氛的附加消耗。

Claims (8)

1.在不锈钢中形成高强度奥氏体表面层的表面渗氮热处理方法，它通过在含氮的气氛中、在1000-1200℃之间的温度下进行渗氮，随后以不析出氮化物的冷却速度进行冷却，在接近成品形状的不锈钢零件上形成含≥0.30％(重量)溶解氮的奥氏体表面层。
2.权利要求1所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，使用奥氏体不锈钢。
3.权利要求1所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，使用马氏体不锈钢。
4.权利要求1所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，使用铁素体不锈钢。
5.权利要求1所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，使用铁素体-奥氏体不锈钢。
6.权利要求1所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，使用铁素体-马氏体不锈钢。
7.权利要求1至6中任何一项所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，渗氮过程中，氮气压力介于2.5×104-2.25×105帕斯卡之间。
8.权利要求1至6中任何一项所述的表面渗氮热处理方法，其特征在于，经随后再加热到≤650℃的温度，使表面层时效硬化。
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