CN109082627B - 一种提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种提高Cr‑Mn‑N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：采用脉冲式渗碳工艺对Cr‑Mn‑N奥氏体不锈钢表面进行气体渗碳处理，渗碳处理在管式加热炉中进行，电阻丝加热，根据需要通入一定量的CO、N2和H2，气体渗碳处理前优选对试样进行盐浴渗氮预处理。该方法可以提高Cr‑Mn‑N奥氏体不锈钢表面硬度，进而提高其使用寿命以及运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及Cr-Mn-N奥氏体不锈钢，特别提供一种提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法。
背景技术
由于Cr-Mn-N奥氏体不锈钢中无镍或低镍，因此有效降低了生产成本，同时还具有奥氏体不锈钢固有的综合性能优良和耐腐蚀的特点，已经在工业生产中获得了广泛的应用。但是由于其较低的表面强度和硬度严重影响了在工业应用中的使用寿命，尤其是在石油化工、海洋船舶、医疗器械、食品加工等领域，往往要求材料具有优良的抗腐蚀性能的同时，还需具有较高的表面硬度、承载能力及耐磨性能，从而保证设备及零部件运行的可靠性，达到提高生产效率和延长寿命的目的。因此，如何提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的表面强度和硬度一直是人们所关注的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，以提高该不锈钢的使用寿命以及运行可靠性。
本发明技术方案如下：
一种提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：采用脉冲式渗碳工艺对Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面进行气体渗碳处理，渗碳处理在管式加热炉中进行，电阻丝加热，根据需要通入一定量的CO、N2和H2。
本发明所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于，气体渗碳处理前优选对试样进行盐浴渗氮预处理：65％～70％[w(NaCN)96.5％+w(Na2CO3)2.5％+w(NaCNO)1.0％]+35％～30％[w(KCN)96％+w(K2CO3)1.6％+w(KCNO)2.4％]，温度500～550℃，0.5h～1h。
气体渗碳处理前也可对试样进行电沉积锌预处理：
(1)酸洗：200mlHCl+100mlH2O+200mlHNO3，时间为1～5min，酸洗过程中试样尽量少暴露空气中，酸洗后放入无水乙醇中备用；
(2)电沉积锌：试样为阴极，纯锌片(99.9％)为阳极，溶液配方为500mlH2O+4.025gZnSO4+53.5gNH4Cl，试样电流为0.3A，电沉积120s，然后用蒸馏水清洗镀层表面，于蒸馏水中浸泡5min，最后用电吹风迅速将试样表面水分吹干，置于干燥器内备用；
(3)热氧化处理：设置程序升温，升温速率为10℃/min，350℃热氧化1h，继续升温到450℃热氧化2h，然后在马弗炉中自然冷却至室温，拿出备用。
本发明所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于，气体渗碳处理工艺为：
第一阶段：渗碳温度450℃～500℃，时间3.5h～4.5h：
第二阶段：脉冲式渗碳，温度为450℃～500℃，每两小时进行低温气体渗碳，共68h；
第三阶段：回火处理，温度为180℃～200℃，保温时间：1.5h～2h，然后炉冷。
优选为：
第一阶段：渗碳温度470℃，时间4h：
第二阶段：脉冲式渗碳，温度为470℃，每两小时进行低温气体渗碳，共68h；
第三阶段：回火处理，温度为190℃，保温时间：2h，然后炉冷。
当渗碳时间超过72h，随着渗碳时间的延长，有效硬化层厚度并没有成比例的增长，所以，渗碳层厚度50um以内的渗碳时间控制在72h以内更为经济、合理。
本发明所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：气体渗碳处理中的气体流量为CO＝30～100ml/min，H2＝150～180ml/min，N2＝150～180ml/min。优选为CO＝80ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min。
本发明所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：所述Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的成分为0.08～0.12％C、16.00～18.00％Cr、13.00～15.00％Mn、0.10～0.50％N。优选为0.10％C、17％Cr、14％Mn、0.3％N。
采用本发明所述方法处理得到的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢，其特征在于：Cr-Mn-NCr-Mn-N奥氏体不锈钢离表面距离为5～10um处硬度HV0.2≥585，渗碳层可达45～55um。
附图说明
图1实施例1气体渗碳第一、二阶段工艺示意图。
图2实施例1气体渗碳工艺示意图。
图3电沉积锌热氧化工艺预处理的渗碳层厚度。
图4渗氮0.5h预处理的渗碳层厚度。
图5渗氮1h预处理的渗碳层厚度。
图6采用a方案渗碳层显微硬度值分布。
图7采用b方案渗碳层显微硬度值分布。
图8采用c方案渗碳层显微硬度值分布。
图9渗碳处理后的试样。
具体实施方式
本发明实施例所用试样为一种Cr-Mn-N奥氏体不锈钢，其成分为0.10％C、17％Cr、14％Mn、0.3％N，规格为φ25×1.5mm的长度为20mm的管材，固溶态。气体渗碳处理在管式加热炉中进行，电阻丝加热，根据需要通入一定量的CO、N2和H2。
实施例1
一、试样预处理：
分别采用电沉积锌热氧化工艺、0.5h盐浴渗氮以及1h盐浴渗氮进行预处理。
二、气体流量参数：
CO＝80ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min。
三、气体渗碳工艺：
第一阶段：渗碳温度470℃，时间4h：
第二阶段：脉冲式渗碳，温度为470℃，每两小时进行低温气体渗碳，共68h；如图1所示；
第三阶段：回火处理，温度为190℃，保温时间：2h，然后炉冷；如图2所示。
1.采用电沉积锌热氧化工艺预处理+渗碳
发现试样渗层不均匀，只有部分区域存在渗碳层，深度约24um，主要原因是在电沉积锌过程中，钝化膜去除不够均匀。如图3所示。
2.采用0.5h盐浴渗氮预处理+渗碳
通过金相观察发现试样表面渗氮层厚度约5μm，再向试样内部观察是渗碳层厚度在45μm左右，渗层较均匀，如图4所示。
3.采用1h盐浴渗氮预处理+渗碳
通过金相观察发现试样试样表面渗氮层厚度约9μm，再向试样内部观察是渗碳层厚度在48μm左右，渗层较均匀，如图5所示。
实施例2
一、试样预处理：
1h盐浴渗氮预处理。
二、气体流量参数：
a.CO＝80ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min；
b.CO＝50ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min；
c.CO＝30ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min。
三、气体渗碳工艺：
第一阶段：渗碳温度470℃，时间4h：
第二阶段：脉冲式渗碳，温度为470℃，每两小时进行低温气体渗碳，共68h；
第三阶段：回火处理，温度为190℃，保温时间：2h，然后炉冷。
进行显微硬度分析，测试时，取点自管材表面开始向里并分别编号为1,2,3,4......，直至显微限度值接近基体硬度约290HV0.2(薄壁管件无法测试HRC硬度)为止。
1.气体流量a方案显微硬度测试结果如图6、表1所示：
表1采用a方案渗碳层显微硬度值
2.气体流量b方案显微硬度测试结果如图7、表2所示：
表2采用b方案渗碳层显微硬度值
3.气体流量c方案显微硬度测试结果如图8、表3所示：
表3采用c方案渗碳层显微硬度值
从以上三个不同CO气体流量的渗碳后的试样硬度分析可以看出，采用该脉冲式低温渗碳工艺，Cr-Mn-N不锈钢管材试样渗碳层厚度可达50um，而且厚度基本不变，其硬度可以由基体的290HV0.2提高到最高689.2HV0.2。随着CO气体流量的减少，即随着渗碳气氛中碳势的降低，最高硬度由689.2HV0.2，逐渐降低到621.5HV0.2和585.5HV0.2。因此可以看出，CO气体流量对Cr-Mn-N不锈钢管材试样表面硬度影响较大。
实施例3
一、试样预处理：
1h盐浴渗氮预处理。
二、气体流量参数：
CO＝80ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min；
三、气体渗碳工艺：
渗碳时间不同，其它与实施例1相同
①渗碳4h：
10μm处碳浓度0.1％，15μm处碳浓度0.07％，无限接近于奥氏体不锈钢中原始C的质量分数，理论计算渗碳4h，有效硬化层厚度＜10μm。
②渗碳6h：
10μm处碳浓度0.24％，15μm处碳浓度0.0728％，无限接近于奥氏体不锈钢中原始C的质量分数，理论计算渗碳6h，有效硬化层厚度＜15μm。
③渗碳：10h：
10μm处碳浓度0.7％，15μm处碳浓度0.12％，20μm处碳浓度0.072％，无限接近于奥氏体不锈钢中原始C的质量分数，理论计算渗碳10h，有效硬化层厚度＜20μm。
④同理可以计算得到，渗碳48h，有效硬化层厚度＜40μm；渗碳60h，有效硬化层厚度＜45μm；渗碳72h，有效硬化层厚度＜50μm；渗碳96h，有效硬化层厚度＜55μm。
由以上数据可以看出，当渗碳时间超过72h，随着渗碳时间的延长，有效硬化层厚度并没有成比例的增长，所以，渗碳层厚度50um以内的渗碳时间控制在72h以内更为经济、合理。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：采用脉冲式渗碳工艺对Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面进行气体渗碳处理，渗碳处理在管式加热炉中进行，电阻丝加热，根据需要通入一定量的CO、N2和H2；其中，气体渗碳处理工艺为：
第一阶段：渗碳温度450℃～500℃，时间3.5h～4.5h：
第二阶段：脉冲式渗碳，温度为450℃～500℃，每隔两小时进行两小时的低温气体渗碳，共68h；
第三阶段：回火处理，温度为180℃～200℃，保温时间：1.5h～2h，然后炉冷；
气体渗碳处理前对试样进行盐浴渗氮预处理：65％～70％[w(NaCN)96.5％+w(Na2CO3)2.5％+w(NaCNO)1.0％]+35％～30％[w(KCN)96％+w(K2CO3)1.6％+w(KCNO)2.4％]，温度500～550℃，0.5h～1h；
或者气体渗碳处理前对试样进行电沉积锌预处理：
(1)酸洗：200mlHCl+100mlH2O+200mlHNO3，时间为1～5min，酸洗后放入无水乙醇中备用；
(2)电沉积锌：试样为阴极，纯锌片为阳极，溶液配方为500mlH2O+4.025gZnSO4+53.5gNH4Cl，试样电流为0.3A，电沉积120s，然后用蒸馏水清洗镀层表面，于蒸馏水中浸泡5min，最后用电吹风迅速将试样表面水分吹干，置于干燥器内备用；
(3)热氧化处理：设置程序升温，升温速率为10℃/min，350℃热氧化1h，继续升温到450℃热氧化2h，然后在马弗炉中自然冷却至室温，拿出备用；
气体渗碳处理中的气体流量为CO＝80ml/min，H2＝160ml/min，N2＝160ml/min。
2.按照权利要求1所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于，气体渗碳处理工艺为：
第一阶段：渗碳温度470℃，时间4h：
第二阶段：脉冲式渗碳，温度为470℃，每隔两小时进行两小时的低温气体渗碳，共68h；
第三阶段：回火处理，温度为190℃，保温时间：2h，然后炉冷。
3.按照权利要求1所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：所述Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的成分为0.08～0.12％C、16.00～18.00％Cr、13.00～15.00％Mn、0.10～0.50％N。
4.按照权利要求1或3所述提高Cr-Mn-N奥氏体不锈钢表面硬度的方法，其特征在于：所述Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的成分为0.10％C、17％Cr、14％Mn、0.3％N。
5.一种采用权利要求1所述方法处理得到的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢，其特征在于：Cr-Mn-N奥氏体不锈钢离表面距离为5～10μm处硬度HV0.2≥585，渗碳层达45～55μm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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