CN109913794B

CN109913794B - 一种奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法

Info

Publication number: CN109913794B
Application number: CN201910292173.8A
Authority: CN
Inventors: 曹驰; 陈志林; 牟鑫斌; 陈碧碧; 胡柏林; 杨瑞成
Original assignee: Wenzhou Pump Valve Engineering Research Institute Of Lanzhou University Of Technology; Lanzhou University of Technology
Current assignee: Wenzhou Pump Valve Engineering Research Institute Of Lanzhou University Of Technology; Lanzhou University of Technology
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: CN109913794A

Abstract

本发明属于奥氏体不锈钢表面处理技术领域。为了解决目前对奥氏体不锈钢进行低温渗氮存在渗层薄，进行低温渗碳存在硬度和耐蚀性不理想的问题，本发明公开了一种奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法。该方法包括：步骤S101，对奥氏体不锈钢进行低温渗碳处理，其中低温渗碳的时间为5～9H；步骤S102，对低温渗碳处理的奥氏体不锈钢进行离子轰击，清除奥氏体不锈钢表面的炭黑层，其中离子轰击温度低于步骤S101中进行低温渗碳的温度；步骤S103，对离子轰击处理后的奥氏体不锈钢进行低温渗氮处理，其中低温渗氮的时间为1～8h。采用本发明的方法，可以使奥氏体不锈钢在硬度、渗层厚度和耐蚀性方面得到综合性提升，实现对奥氏体不锈钢耐蚀强化的效果。

Description

一种奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法

技术领域

本发明属于奥氏体不锈钢表面处理技术领域，具体涉及一种奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法。

背景技术

奥氏体不锈钢因其具有高塑性、高耐蚀性、良好的焊接性能、冷加工性能、低温韧性和无磁性等而广泛应用于石油、化工、电力、交通、航空航天、航海、国防、能源开发以及轻工、纺织、食品和医药等领域。然而，由于奥氏体不锈钢自身的硬度较低，只有200～250HV，并且其耐磨性能和抗刮擦性能也比较差，因此限制了不锈钢在工程领域做更广泛的应用。

针对奥氏体不锈钢的硬度问题，通过采用传统的渗碳方法(850℃以上)或者传统的渗氮方法(500℃以上)进行处理，以提升其表面硬度。但与此同时发现，采用上述方法对奥氏体不锈钢进行处理后，其耐蚀性却出现了明显的下降，使不锈钢失去了其“不锈”的基本性能特征。

目前，通过对奥氏体不锈钢的相关研究发现，采用低温渗氮或者低温渗碳的处理方法，都可以较好的解决奥氏体不锈钢既要耐磨又要耐蚀的问题。与传统的渗氮处理和渗碳处理相比较，低温渗氮和低温渗碳可以在材料表面形成一层氮或碳在奥氏体中的过饱和固溶体层——“S相”，而获得的S相表面层可在不降低甚至提高耐蚀性的同时兼具高硬度、良好耐磨性及抗疲劳性能，从而达到奥氏体不锈钢耐蚀强化的目的。

然而，在实际应用中发现，虽然低温渗氮和低温渗碳均能达到提升奥氏体不锈钢耐蚀强化的目的，但却存在着以下的问题：当奥氏体不锈钢进行低温离子渗氮工艺(t＜450℃)处理时，由于温度较低，氮原子在基体中的扩散速度变慢，致使最终获得的S_N相层厚度较薄、承载能力降低，无法保证其使用寿命；反之，当奥氏体不锈钢进行低温离子渗碳工艺(t＜550℃)处理时，虽然温度提升获得的渗层(S_C相层)厚度和承载能力明显优于低温渗氮时获得的渗层(S_N相层)，但其硬度和耐蚀性却达不到S_N相层所具有的硬度和耐蚀性，同样无法保证其使用寿命。

发明内容

为了解决目前对奥氏体不锈钢进行低温离子渗氮存在渗层薄，进行低温渗碳存在硬度和耐蚀性不理想的问题，本发明提出了一种奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，以提高奥氏体不锈钢在渗层厚度、表面硬度以及耐蚀性方面的综合性能。

本发明的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，具体包括以下步骤：

步骤S101，对奥氏体不锈钢进行低温渗碳处理，其中低温渗碳的时间为5～9h；

步骤S102，对经过步骤S101中低温渗碳处理的奥氏体不锈钢进行离子轰击，清除奥氏体不锈钢表面的炭黑层，其中离子轰击的温度低于步骤S101中进行低温渗碳的温度；

步骤S103，对经过步骤S102中离子轰击处理的奥氏体不锈钢进行低温渗氮处理，其中低温渗氮的温度低于步骤S101中进行低温渗碳的温度，并且低温渗氮的时间为1～8h。

优选的，在所述步骤S101中，低温渗碳的温度为550℃；在所述步骤S102中，离子轰击的温度为500℃；在所述步骤S103中，低温渗氮的温度为450℃。

进一步优选的，在所述步骤S102中，离子轰击时间为30～120min；在所述步骤S103中，低温渗氮的时间为3～8h。

进一步优选的，在所述步骤S101中，低温渗碳的时间为9h。

进一步优选的，在所述步骤S102中，离子轰击的时间为30min；在所述步骤S103中，低温渗氮的时间为8h。

优选的，在所述步骤S101中，采用甲烷和氢气进行奥氏体不锈钢的低温渗碳处理。

优选的，在所述步骤S101中，将低温渗碳过程中的炉内压力控制为200Pa。

优选的，在所述步骤S102中，选用氩气进行离子轰击。

优选的，在所述步骤S103中，将低温渗氮过程中的炉内压力控制为200Pa。

优选的，在进行步骤S101中的低温渗碳处理前，预先对奥氏体不锈钢进行表面清洁处理处理和烘干处理。

在本发明的技术方案中，通过对奥氏体不锈钢依次进行5～9h的低温渗碳、离子轰击清除表面炭黑层处理以及1～8h的低温渗氮处理，并且将离子轰击的温度控制在低温渗碳的温度以下，这样首先借助温度相对较高的低温渗碳完成对奥氏体不锈钢的渗层厚度提升，为最终所形成渗层的厚度打下良好基础，然后通过降低温度在避免造成含铬化合物析出的情况下，进行离子轰击和低温渗氮处理，其中借助离子轰击可以有效清除进行低温渗碳时产生的炭黑层，以保证后续在温度下进行低温渗氮时氮元素可以有效的渗入扩散至含碳渗层中，形成包含碳元素和氮元素的复合渗层，达到对渗层表面硬度和耐蚀性的提升，获得最终对奥氏体不锈钢在渗层厚度、表面强度和耐蚀性方面的综合性能提升，真正实现对奥氏体不锈钢耐蚀强化的效果。

附图说明

图1为实施例1对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理的流程示意图；

图2至图9分别为实施例1至实施例8对奥氏体不锈钢工件分别处理后所获渗层的金相照片；

图10至图15分别为对比例1至对比例6对奥氏体不锈钢工件分别处理后所获渗层的金相照片；

图16是对实施例1和实施例5中的奥氏体不锈钢工件处理后进行电化学分析实验获得的极化曲线图；

图17是对实施例1以及对比例2至对比例6中的奥氏体不锈钢工件处理后进行电化学分析实验获得的极化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

实施例1

结合图1所示，采用本发明中实施例1的技术方案对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，具体步骤如下：

步骤S101，对奥氏体不锈钢工件进行低温渗碳处理。

首先，将奥氏体不锈钢工件放入离子渗扩炉内，并将炉内的气压抽真空至10Pa以下，以便于击穿气体产生辉光放电。接着，向离子渗扩炉内通入甲烷和氢气进行离子轰击加热，使渗扩炉内的温度维持在550℃。然后，调整甲烷和氢气的通入压力，使炉内压力维持在200Pa，进行离子渗碳5h。

步骤S102，对低温渗碳处理后获得的奥氏体不锈钢工件进行离子轰击，清除奥氏体不锈钢工件在经过低温渗碳处理时在其表面形成的炭黑层。此时，将渗扩炉内的气压抽至10Pa以下，之后通入氩气，使渗扩炉内的温度维持在500℃，进行离子轰击30min。

步骤S103，对经过离子轰击清洁处理的奥氏体不锈钢工件进行低温渗氮处理。

首先，将渗扩炉内的气压抽至10Pa以下，使炉内温度降至450℃。接着，通入氮气和氢气，并且调整氮气和氢气的通入压力，使炉内压力维持为200Pa，炉内温度维持在450℃，进行离子渗氮3h。

优选的，在本实施例中，按3:1的比例将氮气和氢气通入炉内，以提高氮元素的渗入扩散效果，保证最终形成渗层的质量和效果。

步骤S104，将完成低温渗氮处理的奥氏体不锈钢工件从炉内取出，进行抛光和清洗，获得最终处理后的奥氏体不锈钢工件。

在本实施例中，采用电解抛光，其中电解抛光的主要工艺为电流密度1～3A/cm²，电压6～10V，电解液温度50℃，电解时间60～90s；此外，该电解液的成分为盐酸280～330ml/L，硫酸180～250ml/L，乙醇120ml/L，若丁2～3g/L，双氧水230～280ml/L。在其他实施例中，也可以通过化学侵蚀的方法，达到提高工件表面光洁度的目的。最后对完成电解抛光的奥氏体不锈钢工件进行清水清洗，去除表面的残留电解液。

优选的，结合图1所示，在对奥氏体不锈钢工件进行低温渗碳处理之前，预先对其进行步骤S100中的表面清洁处理和烘干处理。例如，通过超声波清洗机对奥氏体不锈钢工件进行除锈和除油的表面清洁处理和烘干处理，避免油污杂质对后续热处理的影响，同样也可以采用其他表面清洁和烘干的处理工艺实现对奥氏体不锈钢工件除锈、除油和烘干的目的。

此外，在本实施例中，选用离子溅射强烈的氩气进行奥氏体不锈钢工件的表面轰击处理，以保证对炭黑层的快速有效清除，保证后续低温渗氮时氮原子的有效快速渗入，保证所形成复合渗层的硬度和耐蚀性。同样，在其他实施例中，根据实际情况也可以选用其他气氛介质进行炭黑层的轰击清除。同理，在本实施例中，选用了甲烷和氢气的混合气体作为低温渗碳的介质，同样在其他实施例中，也可以选用其他气体作为低温渗碳的介质。

另外，在本实施例中，将低温渗碳和低温渗氮过程中的炉内压力均控制在200Pa，以获得较快的渗层处理速度以及适当的渗层厚度。同样，在其他实施例中，根据实际情况也可以调整炉内压力的大小，从而获得相应的渗层处理速度和渗层厚度。

在本实施例中，将低温渗碳的温度控制在550℃，并将离子轰击的温度控制在500℃以及将低温渗氮的温度控制在450℃，这样在满足离子轰击温度和低温渗氮温度低于低温渗碳温度的情况下，避免了含铬化合物的析出，同时将低温渗碳和低温渗氮的过程维持在较高的温度值，可以提高碳元素和氮元素渗入扩散的效果和速度，获得较好的处理效率和最终渗层的质量效果。同样，在其他实施例中，根据具体情况也可以对低温渗碳、离子轰击和低温渗氮的温度进行调整，获得最终含碳和含氮的复合渗层。

实施例2

采用与实施例1相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S101中，进行低温渗碳的时间为9h，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

实施例3

采用与实施例2相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S102中，进行离子轰击的时间为60min，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

实施例4

采用与实施例3相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S102中，进行离子轰击的时间为120min，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

实施例5

采用与实施例2相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S103中，进行低温渗氮的时间为1h，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

实施例6

采用与实施例5相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S103中，进行低温渗氮的时间为2h，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

实施例7

采用与实施例5相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S103中，进行低温渗氮的时间为4h，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

实施例8

采用与实施例5相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S103中，进行低温渗氮的时间为8h，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

对比例1

采用与实施例1相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S101中，进行低温渗碳的时间为3h，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

对比例2

采用与实施例2相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S102中，进行离子轰击的时间为0h，即取消对炭黑层的清除操作，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

对比例3

采用与对比例2相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S103中，进行低温渗氮的时间为0h，即对奥氏体不锈钢工件单独进行550℃下的低温渗碳处理，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

对比例4

采用与对比例3相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S101中，进行低温渗碳的时间为0h，在步骤S103中，进行离子渗氮的时间为9h，即对奥氏体不锈钢工件单独进行450℃下的低温渗氮处理，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

对比例5

采用与对比例3相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在步骤S102中，进行离子轰击的时间为30min，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

对比例6

采用与对比例4相同的方法，对奥氏体不锈钢工件进行耐蚀强化处理，其区别仅在于：在进行低温渗氮的过程中，同时通入甲烷和氢气，形成低温碳氮共渗的处理，并最终获得相应的奥氏体不锈钢工件。

接下来，对实施例1至实施例8以及对比例1至对比例6获得奥氏体不锈钢工件分别进行检测分析，包括金相检测、渗层厚度检测、工件表面硬度检测以及电化学分析实验。

其中，对实施例1至实施例8以及对比例1至对比例6的奥氏体不锈钢工件进行金相检测分别获得如图2至图15所示的金相图片。对实施例1至实施例8以及对比例1至对比例6的奥氏体不锈钢工件进行渗层厚度检测和表面硬度检测获得表1中的数据。对实施例1和实施例5获得的奥氏体不锈钢工件进行电化学分析实验获得如图16所示的极化曲线图，对实施例1以及对比例2至对比例6获得的奥氏体不锈钢工件进行电化学分析实验获得如图17所示的极化曲线图。

表1

根据表1所记载对比例3和对比例4的检测数据以及图12和图13所示可知，对奥氏体不锈钢工件单独进行低温渗碳处理获得的渗层厚度为37μm，但渗层表面硬度仅为784HV，呈现为渗层厚而硬度低的性能；反之，对奥氏体不锈钢工件进行单独低温渗氮处理获得的渗层厚度则只有20μm，而渗层表面硬度则达到1114HV，呈现出渗层薄而硬度高的性能，这两种情况都会造成耐磨性能的降低，影响材料的使用寿命。

根据表1所记载实施例1至实施例8的检测数据以及图2至图9所示，通过采用实施例1至实施例8的方法对奥氏体不锈钢工件进行处理，首先进行5～9h的低温渗碳处理，然后进行离子轰击清除炭黑层，最后再进行3～8h的低温渗氮处理，这样获得的奥氏体不锈钢工件均形成了厚度在30μm以上的渗层，并且所获渗层的表面硬度也均达到了800HV以上。与对比例3和对比例4中获得的渗层相比较，实施例1至实施例8获得的渗层厚度远远优于单独进行低温渗氮形成的渗层厚度，并且渗层表面硬度也高于单独进行低温渗碳形成的渗层硬度接近单独进行低温渗氮形成的渗层硬度，获得了兼顾单独低温渗碳所形成渗层的厚度优势以及单独低温渗氮所形成渗层的表面硬度优势。

结合图16所示，在对实施例1至实施例8获得的奥氏体不锈钢工件进行电化学分析实验时，所获得的极化曲线图都非常接近，在此只选用对实施例1和实施例5获得的奥氏体不锈钢工件进行电化学分析实验获得的极化曲线作为代表进行分析比对。结合图17所示，对比实施例1、对比例3和对比例4的极化曲线可知，在自腐蚀电位、自腐蚀电流及钝化特征等各项指标中，实施例1和对比例4表现出相近的耐腐蚀性能，并且均优于对比例3所表现出来的耐腐蚀性能，即采用实施例1至实施例8的方法获得的奥氏体不锈钢工件具有与单独进行低温渗氮处理获得奥氏体不锈钢工件相近的耐腐蚀性能，并且优于单独进行低温渗碳时奥氏体不锈钢工件所呈现出来的耐腐蚀性能。

综上所示，通过采用实施例1至实施例8的方法对奥氏体不锈钢工件进行处理，首先进行5～9h的低温渗碳处理，然后进行离子轰击清除炭黑层，最后再进行1～8h的低温渗氮处理，由此获得的奥氏体不锈钢，不仅在渗层厚度方面远远优于单独进行低温渗氮形成的渗层厚度并与单独进行低温渗碳形成的渗层厚度相当，而且在渗层表面硬度方面也要高于单独进行低温渗碳形成的渗层硬度并接近单独进行低温渗氮形成的渗层硬度，同时在耐腐蚀性能方面也保持了与单独进行低温渗氮所形成渗层相近的优异耐腐蚀性能。因此，采用实施例1至实施例8方法获得的奥氏体不锈钢兼顾了单独进行低温渗碳所形成渗层的厚度优势以及单独进行低温渗氮所形成渗层的表面硬度优势和优异的耐腐蚀性能，达到了对奥氏体不锈钢在硬度、渗层厚度和耐蚀性方面的综合性能提升，真正实现了对奥氏体不锈钢耐蚀强化的效果。

进一步分析，结合表1中对实施例1、实施例2以及对比例1的检测数据记载可知，在保持其他参数不变的情况下，随着低温渗碳时间的延长，最后获得的渗层厚度明显增加，其中当低温渗碳时间达到5h及以上时才能保证最终获得渗层厚度优于单独进行低温渗氮所获得的渗层厚度，并且当低温渗碳时间达到9h所获得的渗层厚度已经接近甚至超过单独进行低温渗碳所获得的渗层厚度，满足了承载力对渗层厚度的要求。因此，将实施例1至实施例8方案中的低温渗碳时间控制在5～9h，可以保证最终获得优异的渗层厚度，满足对承载力的要求。

进一步分析，结合表1中对实施例2、对比例2以及对比例3的检测数据记载可知，当完成对奥氏体不锈钢工件的低温渗碳处理后，无论是否后续进行低温渗氮，如果没有离子轰击对炭黑层进行清除的操作，那么最终获得的渗层厚度只能达到37μm、表面硬度也只有766HV，相当于单独进行低温渗碳时所获渗层的情况，即如果没有进行离子轰击清除炭黑层，后续的低温渗氮根本无法有效进行。

同时，对比实施例2、实施例3、实施例4以及对比例2的检测数据可知，在完成对奥氏体不锈钢工件的低温渗碳处理后，只要采取离子轰击清除炭黑层的操作，就可以实现后续低温渗氮的有效进行，进而借助低温渗氮处理将最终的渗层厚度提升至39μm及以上，将表面硬度最高提升至1072HV，而离子轰击的时间长短则对最终渗层的影响不明显，关键在于是否采取有效的离子轰击清除了炭黑层。

同时，对比实施例2、实施例5至实施例8以及对比例3和对比例5的检测数据可知，在完成对奥氏体不锈钢工件外表面炭黑层的离子轰击清除后，必须进行有效的低温渗氮处理，才能提升最终渗层的表面硬度，否则渗层的表面硬度不会提升反而出现下降。

因此，在完成对奥氏体不锈钢工件的低温渗碳处理后，必须对其外表面出现的炭黑层进行有效的离子轰击清除后，再进行有效的低温渗氮处理才能保证低温下氮元素的有效扩散渗入，达到最终改善渗层厚度和硬度的目的。

进一步分析，结合表1中对对比例4和对比例6的检测数据记载可知，当采用低温碳氮共渗的方法对奥氏体不锈钢工件进行处理时，最终获得的渗层厚度和表面硬度与单独进行低温渗氮所获得的渗层厚度和表面硬度相似，无法达到对奥氏体不锈钢进行渗层厚度和表面硬度的综合性能提升。

进一步分析，结合表1中对实施例2以及实施例5至实施例8的检测数据记载可知，在保持其他参数不变的情况下，随着低温渗氮时间的增加，最后获得渗层的厚度和表面硬度在逐步提升，尤其是在前3h内提升效果极为明显，并且当处理时间达到8h时最终所获渗层达到厚度为41μm、表面硬度为1072HV的超高综合性能。

Claims

1.一种奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S101中，低温渗碳的温度为550℃；在所述步骤S102中，离子轰击的温度为500℃；在所述步骤S103中，低温渗氮的温度为450℃。

3.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，离子轰击时间为30～120min；在所述步骤S103中，低温渗氮的时间为3～8h。

4.根据权利要求3所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S101中，低温渗碳的时间为9h。

5.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，离子轰击的时间为30min；在所述步骤S103中，低温渗氮的时间为8h。

6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S101中，采用甲烷和氢气进行奥氏体不锈钢的低温渗碳处理。

7.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S101中，将低温渗碳过程中的炉内压力控制为200Pa。

8.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，选用氩气进行离子轰击。

9.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在所述步骤S103中，将低温渗氮过程中的炉内压力控制为200Pa。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的奥氏体不锈钢耐蚀强化的方法，其特征在于，在进行步骤S101中的低温渗碳处理前，预先对奥氏体不锈钢进行表面清洁处理和烘干处理。