CN106835005B - 一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法 - Google Patents

一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法，包括将奥氏体不锈钢工件进行表面钝化膜处理，将奥氏体不锈钢放入渗碳炉中，抽真空通入渗碳气体，加热渗碳炉开始渗碳处理，所述的渗碳处理为两段式升降温过程，实现了在高温下活性碳原子在工件表面的高浓度富集以及低温下碳原子向工件内部的顺利扩散，使工件内部到表面形成均匀的碳原子浓度分布梯度。

Description

一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域，尤其是涉及一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法。
背景技术
奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18％、Ni 8％～25％、C约0.1％时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体不锈钢无磁性而且具有优良的力学性能、高韧性和塑性，可加工性以及抗腐蚀性强，被广泛应用于化工、汽车、机械、海运及海洋构件等领域；但奥氏体不锈钢缺点是由于含碳量极低，导致表面强度和硬度较低，抗磨损性能、抗疲劳性能低，且不可能通过相变使之强化，严重影响奥氏体不锈钢的使用范围，或是大幅度降低零工件的使用寿命。
渗碳是常见的对金属表面进行强化处理的方法，具体方法为将工件置入具有活性渗碳介质中，加热后保温，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳层，使钢件的表面硬度和强度大幅增加，同时钢件内部仍保持原有成分的良好韧性和塑性。按含碳介质的不同﹐渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳﹑和碳氮共渗(氰化)，其中气体渗碳，由于适合大量生产化，作业可以简化，目前最普遍被采用。但目前的渗碳工艺中，一般采用高浓度渗碳剂进行持续渗碳，这样会导致活钢表面形成粗大的块状活网状碳化物，导致表面过脆，韧性急剧下降。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法。采取两段式升降温，提高了碳原子从工件内部到表面的分布均匀性，提高了性能。
本发明完整的技术方案包括：
一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法，包括如下步骤：
1)将奥氏体不锈钢工件进行表面钝化膜处理；
2)将奥氏体不锈钢放入渗碳炉中，抽真空到10-3Pa；
3)通入渗碳气体，加热渗碳炉开始渗碳处理，选择体积组成为CO：H2＝(1.5-9)：1的渗碳气体，同时加入占渗碳气体总体积1-1.6倍的N2，
所述的渗碳处理为两段式升降温过程，包括：
3.1由管路将体积组成为CO：H2＝4：1的渗碳气体，并以与渗碳气体等体积的N2，送入渗碳炉中，加热到500℃-550℃，保温6-8小时，
3.2随后由管路将体积组成为CO：H2＝3：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.4倍的N2，送入渗碳炉中，降温到400℃-420℃，保温3-5小时，
3.3然后由管路将体积组成为CO：H2＝4：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.2倍的N2，送入渗碳炉中，升温到480℃-500℃，保温4-6小时，
3.4随后由管路将体积组成为CO：H2＝3：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.6倍的N2，送入渗碳炉中，在4小时内缓慢降温到390℃-400℃，保温8-10小时，保温3-5小时，
3.5随后再次对渗碳炉抽真空，充N2保护并在320℃-350℃保温24小时，完成渗碳处理。
4)对奥氏体不锈钢工件进行低温气体渗碳热处理。
本发明相对于现有技术的优点在于：采用两段式的升降温渗碳处理，并交替使用不同浓度的渗碳气体，实现了在高温下活性碳原子在工件表面的高浓度富集以及低温下碳原子向工件内部的顺利扩散，使工件内部到表面形成均匀的碳原子浓度分布梯度，同时也防止工件表面形成粗大的碳化物导致表面过脆，又提高了表面硬度，避免形成明显的界面而造成使用过程的断裂源。
附图说明
图1为按本发明处理的奥氏体不锈钢硬度及硬度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
选择奥氏体不锈钢的组分为Cr：22.3％～26.5％；Ni：6％～9％；Mo：0.3％～0.8％；C：0.02-0.06％；Mn：4％～7％；Si：1.0％～1.2％；N：0.05％～0.15％；La：0.011％-0.015％；Sr：0.009％-0.011％；Nb：0.1～0.8％；P≤0.02％，S≤0.02％；余量为铁和杂质。
上述组分是我院为特别为用于海运船舶的水泵、齿轮、管道、阀门等工件构件设计的不锈钢，采用了较低的Si含量，以降低钢的脆性，提高塑性和韧性，由于在渗碳时表面生成Cr的碳化物，导致渗碳后表面Cr含量降低，难以再次形成钝化膜，因而适当调高Cr含量，有利于提高抗腐蚀性，La和Sr均为晶粒细化剂，其中La已经被用于奥氏体不锈钢中，而Sr之前通常被用于铝合金的晶粒细化中，此次在加入La的基础上增加了Sr，发现晶粒细化效果比单加La有所提高。
将上述组分的不锈钢经熔炼，浇注得到铸锭，经锻造或挤压加工工艺后得到奥氏体不锈钢工件，随后进行两段式渗碳处理，具体工艺为：
1.将奥氏体不锈钢工件进行表面钝化膜处理；采用体积比为聚四氟乙烯：四氯化碳：氯化氢：乙醇＝(100-120)：(10-20)：(1.5-3)：(12-15)的活化剂，经加热裂解后对工件进行吹扫活化，去除表面钝化膜。
2.将奥氏体不锈钢放入渗碳炉中，抽真空到10-3Pa；
3.通入渗碳气体，加热渗碳炉开始渗碳处理，所述的渗碳气体选择体积组成为60％～90％的CO和10％-40％的H2，同时加入占渗碳气体总体积1-1.6倍的N2，所述的渗碳处理为两段式升降温过程，包括：
3.1由管路将体积组成为CO：H2＝4：1的渗碳气体，并以与渗碳气体等体积的N2，送入渗碳炉中，加热到500℃-550℃，保温6-8小时，
3.2随后由管路将体积组成为CO：H2＝3：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.4倍的N2，送入渗碳炉中，降温到400℃-420℃，保温3-5小时，
3.3然后由管路将体积组成为CO：H2＝4：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.2倍的N2，送入渗碳炉中，升温到480℃-500℃，保温4-6小时，
3.4随后由管路将体积组成为CO：H2＝3：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.6倍的N2，送入渗碳炉中，在4小时内缓慢降温到390℃-400℃，保温8-10小时，保温3-5小时，
3.5随后再次对渗碳炉抽真空，充N2保护并在320℃-350℃保温24小时，完成渗碳处理。
4.对奥氏体不锈钢工件进行表面钝化膜处理(去除钝化膜)。
不锈钢是一种应用非常广泛的装饰材料和结构材料，其用量呈高速增长态势。奥氏体不锈钢占据300系列的不锈钢的主要部分，这种不锈钢具有非常明显的优点：耐热性、耐腐蚀性、好的韧性和无磁性，应用在核电、能源、航空、航海、化学化工、汽车机械和生物医学等领域的应用。但是，也存在着缺点：表面强度低、耐磨性和疲劳性弱，限制其使用范围。所以，如何提高奥氏体不锈钢表面强度至关重要。如今，奥氏体的表面强化技术存在的缺点：破坏表层组织、腐蚀性能下降、工件形状尺寸效应和环保问题等。故开发奥氏体不锈钢表面低温耐蚀强化技术。
预处理后采用两段式的升降温渗碳处理，并交替使用不同浓度的渗碳气体，实现了在高温下活性碳原子在工件表面的高浓度富集以及低温下碳原子向工件内部的顺利扩散，使工件内部到表面形成均匀的碳原子浓度分布梯度，同时也防止工件表面形成粗大的碳化物导致表面过脆，又提高了表面硬度，避免形成明显的界面而造成使用过程的断裂源。增加奥氏体不锈钢表层的碳浓度，提高碳扩散速率。
渗层检测：将渗碳后的不锈钢制成试样，采用显微硬度计检测随炉试样的表面硬度和硬度梯度分布，结果如图1所示，不同工艺条件下处理的奥氏体不锈钢低温气体渗碳层硬度变化趋势。由图可知，不同工艺条件下处理的奥氏体不锈钢的表层硬度在670HV～1250HV之间，约为基体的2～3倍，且在低温气体渗碳层截面上，硬度呈梯度变化，从表层到基体心部，平滑缓慢变化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种奥氏体不锈钢的低温气体渗碳方法，包括如下步骤：
1)将奥氏体不锈钢工件进行去除表面钝化膜处理；
2)将奥氏体不锈钢放入渗碳炉中，抽真空到10-3Pa；
3)通入渗碳气体，加热渗碳炉开始渗碳处理，选择体积组成为CO：H2＝(1.5-9)：1的渗碳气体，同时加入占渗碳气体总体积1-1.6倍的N2，所述的渗碳处理为两段式升降温过程，包括：
3.1由管路将体积组成为CO：H2＝4：1的渗碳气体，并以与渗碳气体等体积的N2，送入渗碳炉中，加热到500℃-550℃，保温6-8小时，
3.2随后由管路将体积组成为CO：H2＝3：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.4倍的N2，送入渗碳炉中，降温到400℃-420℃，保温3-5小时，
3.3然后由管路将体积组成为CO：H2＝4：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.2倍的N2，送入渗碳炉中，升温到480℃-500℃，保温4-6小时，
3.4随后由管路将体积组成为CO：H2＝3：1的渗碳气体，并以占渗碳气体总体积1.6倍的N2，送入渗碳炉中，在4小时内缓慢降温到390℃-400℃，保温8-10小时，保温3-5小时，
3.5随后再次对渗碳炉抽真空，充N2保护并在320℃-350℃保温24小时，完成渗碳处理。
4)对奥氏体不锈钢工件进行淬火热处理。
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