CN109735797A - 奥氏体不锈钢及其硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料硬化技术领域，具体涉及一种奥氏体不锈钢及其硬化方法。一种奥氏体不锈钢的硬化方法，包括如下步骤：提供奥氏体不锈钢初始材料；对所述奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，然后在等于或小于350℃的条件下进行渗氮处理，使所述奥氏体不锈钢初始材料表面形成渗氮层；将形成有所述渗氮层的奥氏体不锈钢初始材料表面依次进行抛光处理和活化处理，然后在所述渗氮层上镀铬钛膜。该硬化方法不仅不会降低奥氏体不锈钢固有的防锈性能，而且会进一步提高其表面硬度，使奥氏体不锈钢的表面具有抗耐磨性，防擦伤、刮伤能力显著性提高。

Description

奥氏体不锈钢及其硬化方法
技术领域
本发明属于材料硬化技术领域，具体涉及一种奥氏体不锈钢及其硬化方法。
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，由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，一般不可能通过相变使之强化。
钟表零件如表座、表带等因要求有优良的防锈性能，一般采用奥氏体不锈钢材料制造，但因奥氏体不锈钢硬度不高，容易产生擦伤、划伤等缺陷。奥氏体不锈钢因组织是奥氏体，不能通过常规热处理如淬火等工艺进行硬化；而采用渗金属或离子氮化处理，可以实现对奥氏体不锈钢的硬化，但该过程一般因处理温度较高(通常400℃以上)，材料组织中的合金元素如铬、钛等因产生溅射逸出以及形成金属间化合物等现象，在材料组织中的比例会出现大幅度的下降，使不锈钢表面的硬化层组织不再是奥氏体，从而使其防锈性能出现大幅度的下降，这对钟表零件而言，是绝对不允许的。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢及其硬化方法，旨在解决现有奥氏体不锈钢的硬化处理效果不理想的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种奥氏体不锈钢的硬化方法，包括如下步骤：
提供奥氏体不锈钢初始材料；
对所述奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，然后在等于或小于350℃的条件下进行渗氮处理，使所述奥氏体不锈钢初始材料表面形成渗氮层；
将形成有所述渗氮层的奥氏体不锈钢初始材料表面依次进行抛光处理和活化处理，然后在所述渗氮层上镀铬钛膜。
本发明提供一种奥氏体不锈钢的硬化方法中，先将奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，通过利用低能量的氦气轰击可以将奥氏体不锈钢初始材料表面的钝化膜去除以露出活性基体；然后进行渗氮处理，而在温度≤350℃的条件下渗氮，不仅可以有效降低奥氏体不锈钢内的合金元素如铬、钛等因溅射逸出表面，而且在该温度条件下氮在奥氏体不锈钢基体中主要以固溶体的形式存在，这样形成的渗氮层不会降低不锈钢的防锈性能；最后依次进行抛光处理和活化处理，这样可使渗氮层的表面微孔结构活化，能更好地与后续镀上的铬钛膜相结合，而镀上的铬钛膜可以弥补渗氮过程中铬钛的微量损失，不仅提高了硬化后的奥氏体不锈钢的综合防锈性能，而且进一步提高了其表面硬度。总之，本发明的奥氏体不锈钢的硬化方法不仅不会降低奥氏体不锈钢固有的防锈性能，而且会进一步提高其表面硬度，使奥氏体不锈钢的表面具有抗耐磨性，防擦伤、刮伤能力显著性提高。
本发明另一方面提供一种奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢经本发明的上述奥氏体不锈钢的硬化方法进行硬化处理。
本发明提供的奥氏体不锈钢经本发明的奥氏体不锈钢的硬化方法进行硬化处理，这样得到的奥氏体不锈钢不仅不会降低固有的防锈性能，而且会进一步提高其表面硬度，使奥氏体不锈钢的表面具有抗耐磨性，防擦伤、刮伤能力显著性提高，可以很好地适用于钟表零件。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种奥氏体不锈钢的硬化方法，包括如下步骤：
S01：提供奥氏体不锈钢初始材料；
S02：对所述奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，然后在等于或小于350℃的条件下进行渗氮处理，使所述奥氏体不锈钢初始材料表面形成渗氮层；
S03：将形成有所述渗氮层的奥氏体不锈钢初始材料表面依次进行抛光处理和活化处理，然后在所述渗氮层上镀铬钛膜。
本发明实施例提供一种奥氏体不锈钢的硬化方法中，先将奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，通过利用低能量的氦气轰击可以将奥氏体不锈钢初始材料表面的钝化膜去除以露出活性基体；然后进行渗氮处理，而在温度≤350℃的条件下渗氮，不仅可以有效降低奥氏体不锈钢内的合金元素如铬、钛等因溅射逸出表面，而且在该温度条件下氮在奥氏体不锈钢基体中主要以固溶体的形式存在，这样形成的渗氮层不会降低不锈钢的防锈性能；最后依次进行抛光处理和活化处理，这样可使渗氮层的表面微孔结构活化，能更好地与后续镀上的铬钛膜相结合，而镀上的铬钛膜可以弥补渗氮过程中铬钛的微量损失，不仅提高了硬化后的奥氏体不锈钢的综合防锈性能，而且进一步提高了其表面硬度。总之，本发明实施例的奥氏体不锈钢的硬化方法不仅不会降低奥氏体不锈钢固有的防锈性能，而且会进一步提高其表面硬度，使奥氏体不锈钢的表面具有抗耐磨性，防擦伤、刮伤能力显著性提高。
进一步地，在上述步骤S01中，该奥氏体不锈钢初始材料为现成的不锈钢材料，即为现有方法制成的奥氏体不锈钢但未经本发明实施例的硬化方法处理过的不锈钢材料，这样的奥氏体不锈钢初始材料表面一般含有一层主要成分为三氧化二铬的钝化膜。
进一步地，在上述步骤S02中，对所述奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，这样可以去除表面的钝化膜。氦在元素周期表中排第二位，其能量仅高于氢，在堕性气体中能量最低，因此，用低能量的氦气快速轰击奥氏体不锈钢初始材料表面去除钝化膜后，露出活性基体(即钝化膜去除后的不锈钢基体)，以利于后续渗氮的正常进行；同时，因氦气能量较低，不足以造成奥氏体不锈钢材料组织中的合金元素如铬、钛等因溅射逸出而损失。进一步地，所述氦气轰击处理的温度为195℃-205℃、时间为4min-6min；在该温度和时间范围内，氦气轰击的效果最佳。更进一步地，所述氦气轰击处理在真空条件下进行，优选的真空度为1Pa-5Pa。
在本发明一优选实施例中，氦气轰击的具体过程为：将奥氏体不锈钢初始材料在炉内加温，抽真空；当温度达到200℃，将真空度抽到1-5Pa，将阴极电压调整到400-450V，连续注入氦气5min。
进一步地，在上述步骤S02中，所述渗氮处理为离子渗氮处理，通过离子渗氮处理在奥氏体不锈钢初始材料表面形成渗氮层，该渗氮层为一层金属固溶体硬化层，该渗氮层中，在原有结构中挤入氮原子，而不形成金属间的化合物。在温度≤350℃的条件下渗氮，一方面因能量低，低奥氏体不锈钢材料组织中的合金元素如铬、钛等因溅射逸出极少，另一方面，该温度条件下，氮在金属基体中主要以固溶体的形式存在，以金属间化合物形式存在基本没有，因此不会造成基体中合金元素铬、钛的明显损失，从而不会造成防锈性能的下降。进一步地，在320℃-350℃的条件下进行述渗氮处理，且所述渗氮处理的时间为3-4h；在该温度和时间范围内，渗氮效果最佳。更进一步地，所述渗氮处理在真空条件下进行，优选的真空度为5Pa-10Pa。
在本发明一优选实施例中，离子渗氮的具体过程为：氦气短时轰击后，保持真空度1-5Pa，继续加温到250℃时开始注入氢气；继续加温，在温度达到320℃-350℃范围内，调节真空度到5-10Pa，阴极电压调整到500-550V，注入氮气，保温3-4h。最终，可以得到厚度为20μm-30μm的渗氮层，该厚度条件下的渗氮层硬度可以达到700Hv-900Hv。通过该渗氮处理工艺，从而在奥氏体不锈钢初始材料表面形成一层金属固溶体结构的、高硬度的渗氮层。
上述优选实施例中，氢气与氮气形成一定比例的混合气体，可以控制渗氮层的结构组成、厚度及渗氮效率。优选地，按氢气与氮气的摩尔比为3：1进行离子渗氮，效果最佳，从而得到厚度为20μm-30μm的渗氮层。
进一步地，在上述步骤S03中，将形成有所述渗氮层的奥氏体不锈钢初始材料表面依次进行抛光处理和活化处理。氦气轰击和离子渗氮后，形成的渗氮层会造成奥氏体不锈钢材料表面粗化，需要通过抛光来满足应用领域如钟表对其外观的要求，而活化可以使抛光达不到的微孔等结构处活化，以提高后续铬钛膜与渗氮层的结合力。优选地，抛光处理可以采用机械抛光；而活化处理的步骤包括：用硝酸和盐酸组成的混合液进行浸泡处理。更优选地，所述混合液由5％(体积百分比)的盐酸溶液和3％(体积百分比)的硝酸溶液等体积混合组成；即采用5％的盐酸+3％的硝酸进行浸泡处理。进一步优选地，浸泡处理的时间为4-6min。
进一步地，在上述步骤S04中，在所述渗氮层上镀铬钛膜的步骤包括：以铬钛复合材料为靶标材料，以氩气为保护气，进行真空镀膜处理。真空离子镀铬钛膜，其目的是在离子渗氮处理后的渗氮层表面形成一层铬钛膜，一方面可以弥补离子渗氮后铬钛的微量损失，以提高硬化后的奥氏体不锈钢材料的综合防锈性能；另一方面可以进一步提高表面硬度。该铬钛膜即由铬钛复合材料组成的膜，优选地，铬含量为85-95％，钛含量为5-15％，该含量范围内的铬钛膜的硬度效果更好。更优选地，所述铬钛膜的优选厚度为1μm-3μm，如此硬度可达到1000Hv以上。另外，所述真空镀膜处理的真空度为1.0-2.0×10-3Pa；所述真空镀膜处理的温度为200℃-250℃；所述真空镀膜处理的时间为10-20min。该上述温度和时间条件下，镀膜的效果最佳。
在本发明一优选实施例中，镀铬钛膜的具体过程为：采用高真空条件下的镀膜技术：镀膜标靶材料为铬钛复合材料，其中，铬的含量为90％、钛的含量为10％；采用中频恒压镀膜电源，电压400V，频率5KHz-15KHz，电源正极接工件，负极接标靶材料；以氩气作为保护气体并用来调节炉内真空度，炉内真空度为1.0-2.0×10-3Pa；温度200℃-250℃；镀膜时间10-20min。最终，在渗氮层表面形成一层厚约2μm左右、硬度达1000Hv以上的硬化层即为铬钛膜。
另一方面，本发明实施例还提供了一种奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢经本发明实施例的上述奥氏体不锈钢的硬化方法进行硬化处理。
本发明实施例提供的奥氏体不锈钢经本发明实施例的奥氏体不锈钢的硬化方法进行硬化处理，这样得到的奥氏体不锈钢不仅不会降低固有的防锈性能，而且会进一步提高其表面硬度，使奥氏体不锈钢的表面具有抗耐磨性，防擦伤、刮伤能力显著性提高，可以很好地适用于钟表零件。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢的硬化方法，包括如下步骤：
第一步，氦气轰击，具体过程为：将奥氏体不锈钢初始材料在炉内加温的同时，抽真空；当温度达到200℃，将真空度抽到1-5Pa，将阴极电压调整到400-450V，连续注入氦气5分钟。
第二步，离子渗氮，具体过程为：氦气短时轰击后，保持真空度1-5Pa，继续加温到250℃时开始注入氢气；继续加温，在温度达到320℃-350℃范围内，调节真空度到5-10Pa，阴极电压调整到500-550V，注入氮气，保温3-4小时，最终在奥氏体不锈钢初始材料表面形成一层厚度为20-30μm、硬度为700-900Hv的渗氮层(即金属固溶体硬化层)。
第三步，抛光活化，具体过程包括：抛光工艺采用机械抛光；活化工艺采用5％的盐酸+3％的硝酸(等体积混合)，浸泡5min。
第四步，真空离子镀铬钛膜，采用高真空条件下的镀膜技术，具体过程包括：镀膜标靶材料为铬钛复合材料，其中铬的含量为90％，钛的含量为10％；采用中频恒压镀膜电源，电压400V，频率5KHz-15KHz，电源正极接工件，负极接标靶材料；以氩气作为保护气体并用来调节炉内真空度，炉内真空度为1.0-2.0×10-3Pa；温度200℃-250℃；镀膜时间10-20min；最终在渗氮层表面形成一层厚约2μm左右、硬度达1000Hv以上的硬化层即铬钛膜。
本实施例可以实现奥氏体不锈钢表面硬化，显著提高奥氏体不锈钢表面的耐磨性能；该硬化后的奥氏体不锈钢表面硬度达到1000Hv以上，防擦伤、划伤能力有了突破性的提高；该硬化方法不仅能够保持奥氏体不锈钢原有的防锈性能，而且工艺不会造成基体中合金元素铬、钛的明显损失，从而不会造成防锈性能的明显下降；且第四步真空离子镀铬钛膜在离子渗氮层表面再形成一层铬钛膜，可以弥补离子渗氮后铬钛的微量损失，从而可以提高硬化后的奥氏体不锈钢材料的综合防锈性能。
实施例2
一种奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢即由上述实施例1对奥氏体不锈钢初始材料的硬化处理后得到。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种奥氏体不锈钢的硬化方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供奥氏体不锈钢初始材料；
对所述奥氏体不锈钢初始材料的表面进行氦气轰击处理，然后在等于或小于350℃的条件下进行渗氮处理，使所述奥氏体不锈钢初始材料表面形成渗氮层；
将形成有所述渗氮层的奥氏体不锈钢初始材料表面依次进行抛光处理和活化处理，然后在所述渗氮层上镀铬钛膜。
2.如权利要求1所述的硬化方法，其特征在于，所述氦气轰击处理的温度为195℃-205℃；和/或
所述氦气轰击处理的时间为4min-6min；和/或
所述氦气轰击处理的真空度为1Pa-5Pa。
3.如权利要求1所述的硬化方法，其特征在于，在320℃-350℃的条件下进行述渗氮处理；和/或
所述渗氮处理的时间为3-4h；和/或
所述渗氮处理的真空度为5Pa-10Pa。
4.如权利要求1所述的硬化方法，其特征在于，所述渗氮层的厚度为20μm-30μm。
5.如权利要求1所述的硬化方法，其特征在于，所述活化处理的步骤包括：用硝酸和盐酸组成的混合液进行浸泡处理。
6.如权利要求5所述的硬化方法，其特征在于，所述混合液由5％的盐酸溶液和3％的硝酸溶液等体积混合组成；和/或
所述浸泡处理的时间为4-6min。
7.如权利要求1-6任一项所述的硬化方法，其特征在于，在所述渗氮层上镀铬钛膜的步骤包括：以铬钛复合材料为靶标材料，以氩气为保护气，进行真空镀膜处理。
8.如权利要求7所述的硬化方法，其特征在于，所述真空镀膜处理的真空度为1.0-2.0×10-3Pa；和/或
所述真空镀膜处理的温度为200℃-250℃；和/或
所述真空镀膜处理的时间为10-20min。
9.如权利要求1-6任一项所述的硬化方法，其特征在于，所述铬钛膜的厚度为1μm-3μm；和/或
所述铬钛膜中，铬含量为85-95％，钛含量为5-15％。
10.一种奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢经权利要求1-9任一项所述的硬化方法进行硬化处理。
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