CN106399921A - 一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的qpq技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术，提高渗层厚度的QPQ技术工序为清洗→预热→氮化→氧化→清洗去盐→干燥→抛光，主要工序为盐浴氮化和盐浴氧化，与原有的QPQ技术相比，渗层厚度增加，在同等情况下，可有效缩短渗氮时间，提高生产效率。本发明可在较短时间内，在材料表面形成具有足够深度和一定硬度的高质量渗层，能显著提高材料的耐磨性和耐蚀性，降低材料因磨损而失效的风险，扩大不锈钢在各领域的应用范围，具有显著的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于双相不锈钢材料表面强化改性技术范畴，具体涉及一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术。
背景技术
双相不锈钢是指其固溶组织由奥氏体相与铁素体相组成的不锈钢种，双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性，与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，作为一种可焊接的结构材料，双相不锈钢发展十分迅速，在石油、化工、轻工业、能源领域获得广泛运用。但双相不锈钢本身硬度低、耐磨性差，在正常的负载下与接触件发生相对滑动，会承受剧烈的摩擦磨损，严重缩短材料的使用寿命。因此，为了延长零部件的使用寿命，提高资源利用率，增加社会效益，提高双相不锈钢的耐磨性就显得尤为重要。
近年来，随着双相不锈钢表面强化研究的深入，QPQ（Quench-Polish-Quench，淬火-抛光-淬火）技术在解决材料表面耐磨方面凭借产品变形小、生产成本低、操作简单、无污染等特点受到人们的广泛关注。现有的QPQ技术是一种可以同时大幅度提高金属表面耐磨性和耐蚀性的表面强化热处理技术，它实际上是低温盐浴氮化加盐浴氧化。盐浴氮化通过氰酸根的分解，产生活性N原子渗入工件表面，在工件表面形成高质量的渗层，可显著增加工件表面硬度，提高工件表面耐磨性；盐浴氧化可以在工件表面形成具有减磨作用的Fe3O4
黑色氧化膜，其抗蚀性远高于镀铬、镀镍等表面防护技术的水平。在盐浴氧化之后进行抛光和二次氧化处理，去除表面疏松层，改善表面粗糙度，并使工件表面补充氧的含量，进一步提高了工件表面的耐蚀性。该技术采用全新的无公害盐浴配方，所用氮化盐中基本不含氰化物，氧化盐可以彻底分解工件从氮化盐浴中带出来的氰根和氰酸根，不会对环境产生污染。
根据渗氮温度的不同，QPQ技术的盐浴渗氮可以分成铁素体渗氮（渗氮温度≦590℃）和奥氏体渗氮（渗氮温度≧590℃）。目前，铁素体渗氮在不锈钢上的研究和应用取得了较大进展，虽然它能显著改善不锈钢的耐磨性能，但在590℃以下的铁素体渗氮，最大的缺点就是渗层太薄，渗层的深度很难达到30mm以上。四川大学黄润波、罗伟等在较低温度对304不锈钢进行盐浴氮化处理，发现16h渗层厚度只有17.7mm，渗层厚度达到30mm需经过30h以上渗氮处理。为了增加渗层厚度，更大程度提高工件耐磨性，过长的延长氮化时间只能增加疏松层的深度，疏松层降低表面硬度，使表面变得不光滑，增加表面的粗糙度。为此，要加深渗层的厚度必须提高氮化温度，提高活性N原子在不锈钢中的扩散速度，才能加快渗层的形成，从而得到较深的渗层，达到提高工件耐磨性的目的。
本发明对上述问题进行了改进，提供了一种提高渗层厚度的QPQ技术，该技术的特点是：不但能缩短氮化时间，而且能进一步改善氮化工件的性能，渗层厚度增加至30mm以上，不产生严重的疏松层，渗层组织致密，表面硬度提高4倍以上，试样耐磨性明显增加；渗氮以后进行盐浴氧化处理，使工件表面生成Fe3O4氧化层，在提高渗层耐蚀性的同时，具有反尖晶石结构的Fe3O4可有效降低工件表面摩擦系数，进一步提高其耐磨性；最后对工件进行抛光处理，去除表面的疏松层，降低表面粗糙度。
本发明所述的QPQ技术具有更广泛的应用前景，QPQ铁素体渗氮技术由于渗层太薄而无法达到的技术指标，通过采用提高渗层厚度的QPQ技术，大幅度提高工件的耐磨性和耐蚀性，延长产品的使用寿命，降低生产成本，也将进一步扩大该技术的应用范围，增大社会效益。总之，提高渗层厚度的QPQ技术的市场是十分巨大。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术。该技术可以在较短时间内，在工件表面形成具有足够深度和一定硬度的高质量渗层，大幅度提高工件表面的硬度、强度和耐蚀性能，延长工件的使用寿命，可应用到核电、水利和机械等工业领域，尤其是在高温、高压、酸碱和沙粒冲击等腐蚀和磨损等苛刻条件下。同时，QPQ技术操作简单，生成周期短，无污染。
为了解决技术背景所存在的问题，本发明采用如下技术方案：
一种铸造双相不锈钢，室温下铸态组织由奥氏体相分布在铁素体基体中组成，奥氏体相体积分数为30%~40%，各元素组成质量百分比如下：C≤0.04%、Si≤1.0%、Mn≤1.0%、Ni：4.75~6.0%、Cr：24.5~26.5%、Mo：1.75~2.25%、Cu：2.75~3.25%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为Fe。
其制备方法如下：
（1）所有原材料的质量分数之和为100%，质量配比为：316L不锈钢50%~60%、含钼量大于60%的钼铁1.8%~2.2%、含铬量大于99%的电解铬17%~19%、纯铜2.8%~3.0%、其余为工业纯铁。
（2）在中频感应炉中熔炼，所有原材料熔化前都要进行除油、烘干处理；原材料在中频感应炉中熔化后，测定钢水温度；当温度达到1500-1550℃时，加入原材料总质量分数为0.2%的硅钙锰粉末脱氧剂对钢液进行脱氧处理，最后加入造渣剂除去钢液中的杂质，浇注在熔模模壳中，模壳冒口撒上保温剂，铸件放置在空气中冷却；空冷后的铸件在箱式电阻炉中经1120℃固溶处理，保温2h后水淬。
提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术工序：清洗→预热→氮化→氧化→清洗去盐→干燥→抛光，主要步骤如下：
（1）将铸造双相不锈钢工件用丙酮、无水乙醇清洗好后在电阻炉内预热，烘干工件表面水分，工件预热后进入氮化炉内可以防止盐浴喷溅和盐浴温度下降太多，同时预热有助于加快氮化速度，预热温度为400℃，预热时间为20min-30min，工件预热后表面呈稻草黄色；
（2）设置氮化盐浴温度为590℃-610℃，预热后的工件放入氮化盐浴后要盖上炉盖，采用空气压缩机向盐浴中通入空气，氮化时间为60min-180min，工件放置在盐浴坩埚中部，位于液面下50mm以下。采用的氰酸根型氮化基盐外观呈白色粉末状，主要成分按质量分数计包括：KCNO=65%、K2CO3=16%、Na2CO3=15%、KCN=0.6%，当氰酸根浓度低于32wt%时，向盐浴中加入质量分数2%-4%的调整盐以提高氰酸根活性，调整盐的主要成分为含氮有机物（（CNH）n）；
（3）渗氮之后将工件置于氧化炉内进行氧化处理，设置氧化盐浴温度为400℃，氧化时间为15min-30min。氧化盐为多种硝酸盐（NaNO3、KNO3）的混合物粉粒，呈浅蓝色。氧化盐可彻底分解工件从氮化炉中带出来的CN-，达到无公害的目的，对环境不产生污染；
（4）将工件从氧化炉中取出空冷1-2min，待盐液凝结后水冷并去盐清洗、干燥，放入抛光设备中运行30min-40min即可。
本发明的显著优点：1）本发明提供了一种提高渗层厚度的QPQ技术，该技术的特点是：不但能缩短氮化时间，而且能进一步改善氮化工件的性能，渗层厚度增加至30mm以上，不产生严重的疏松层，渗层组织致密，表面硬度提高4倍以上，试样耐磨性明显增加；渗氮以后进行盐浴氧化处理，使工件表面生成Fe3O4氧化层，在提高渗层耐蚀性的同时，具有反尖晶石结构的Fe3O4可有效降低工件表面摩擦系数，进一步提高其耐磨性；最后对工件进行抛光处理，去除表面的疏松层，降低表面粗糙度。
2）本发明所述的QPQ技术具有更广泛的应用前景，QPQ铁素体渗氮技术由于渗层太薄而无法达到的技术指标，通过采用提高渗层厚度的QPQ技术，大幅度提高工件的耐磨性和耐蚀性，延长产品的使用寿命，降低生产成本，也将进一步扩大该技术的应用范围，增大社会效益。总之，提高渗层厚度的QPQ技术的市场是十分巨大。
附图说明
图1为经实例1中提高渗层厚度的QPQ处理后试样截面的金相图；
图2为经实例2中提高渗层厚度的QPQ处理后试样截面的金相图；
图3为经实例3中提高渗层厚度的QPQ处理后试样截面的金相图。
具体实施方式
以下用实例对本发明做更详细的描述，这些实例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实例：用中频感应炉将所有配料熔化，钢液除氧除杂后浇注；空冷后的铸件加工成10mm×20mm×50mm的块状试样，随后在箱式电阻炉中做固溶处理，固溶温度设定为1120℃，保温2h；固溶试样在400℃预热保温30min后，进行提高渗层厚度的QPQ处理，QPQ技术工艺参数如表2所示；最后将试样清洗干燥。
采用显微维氏硬度计测量各试样的表面硬度；采用干磨损试验机测试各试样的耐磨性，其耐磨性用1h磨损量评定；采用电化学工作站测定腐蚀电流密度，以此衡量试样的耐蚀性。
表1为试样的主要化学成分及其质量分数。表3为只经固溶处理试样和QPQ处理试样的各性能（硬度、耐磨性、耐蚀性）对比。
表1 试样化学成分表（wt.%）
表2 提高渗层厚度的QPQ技术工艺参数
表3 试样性能对比
从图1~3可以看出，经提高渗层厚度的QPQ处理后工件表面形成的渗层厚度均在30mm以上，表面硬度得到大幅度提高，耐磨性明显增强。
以上所述仅为本发明的较佳实例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术，其特征在于，处理工序为：清洗→预热→氮化→氧化→清洗去盐→干燥→抛光，具体操作如下：
（1）将铸造双相不锈钢工件用丙酮、无水乙醇清洗好后在电阻炉内进行预热，烘干工件表面水分，预热温度设定为400℃，预热时间为20min-30min，工件预热后表面呈稻草黄色；
（2）设置氮化盐浴温度为590℃-610℃，预热后的工件放入氮化盐浴后要盖上炉盖，采用空气压缩机向盐浴中通入空气，氮化时间为60min-180min，工件放置在盐浴坩埚中部，位于液面下50mm以下；其中盐浴采用的是氰酸根型氮化基盐，外观呈白色粉末状，主要成分按质量分数计包括：KCNO=65%、K2CO3=16%、Na2CO3=15%、KCN=0.6%，当氰酸根的浓度低于32wt%时，向盐浴中加入质量分数2%-4%的调整盐以提高氰酸根活性，调整盐的主要成分为含氮有机物；
（3）将渗氮后的工件置于氧化炉内进行氧化处理，设置氧化盐浴温度为400℃，氧化时间为15min-30min；氧化盐为NaNO3和KNO3的混合物粉粒，呈浅蓝色；
（4）将工件从氧化炉中取出空冷1-2min，待盐液凝结后水冷并去盐清洗、干燥，放入抛光设备中运行30min-40min。
2.根据权利要求1所述的一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术，其特征在于，所述步骤（1）中的铸造双相不锈钢为室温下铸态组织由奥氏体相分布在铁素体基体中组成，奥氏体相体积分数为30%~40%，各元素组成及其质量百分比为：C≤0.04%、Si≤1.0%、Mn≤1.0%、Ni：4.75~6.0%、Cr：24.5~26.5%、Mo：1.75~2.25%、Cu：2.75~3.25%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为Fe。
3.根据权利要求2所述的一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术，其特征在于，所述铸造双相不锈钢的原材料按质量分数计为：316L不锈钢50%~60%、含钼量大于60%的钼铁1.8%~2.2%、含铬量大于99%的电解铬17%~19%、纯铜2.8%~3.0%、其余为工业纯铁，各组分之和为100%。
4.根据权利要求3所述的一种提高铸造双相不锈钢表面渗层厚度的QPQ技术，其特征在于，所述铸造双相不锈钢的制备方法为：在中频感应炉中熔炼，所有原材料熔化前都要进行除油、烘干处理；原材料在中频感应炉中熔化后，测定钢水温度；当温度达到1500-1550℃时，加入原材料总质量分数0.2%的硅钙锰粉末脱氧剂对钢液进行脱氧处理，最后加入造渣剂除去钢液中的杂质，钢液浇注在熔模模壳中，模壳冒口撒上保温剂，铸件放置在空气中冷却；空冷后的铸件在箱式电阻炉中经1120℃固溶处理，保温2h后水淬。
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