CN111910146A - 一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法。所述方法包括以下步骤:(1)氢气轰击除膜:对清洁后的奥氏体不锈钢材料表面进行氢气轰击;(2)中高温离子氮化:对经步骤(1)处理后的奥氏体不锈钢材料进行离子氮化,使奥氏体不锈钢材料表面形成渗氮层;(3)电化学抛光:对经过步骤(2)处理的奥氏体不锈钢材料进行电化学抛光;(4)阳极钝化:对经过步骤(3)电化学抛光处理的奥氏体不锈钢材料进行阳极钝化。本发明不仅可以显著提高奥氏体不锈钢的硬度,而且还能保持不锈钢原有的防锈性能,且生产效率高。

Description

一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法
技术领域
本发明属于材料强化技术领域,具体涉及一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法。
背景技术
奥氏体不锈钢塑性好,韧性高,具有良好的耐蚀性能,在工业生产以及日常生活等领域应用广泛。但是,奥氏体不锈钢的硬度低,耐磨性差,且奥氏体不锈钢不能通过常规热处理之相变的方式使其硬化,制约了奥氏体不锈钢的应用。
离子氮化可以提高不锈钢的表面硬度,但在氮化过程中,基体表层因铬离子在溅射中会发生损失,最终会在基体表面形成微米级的“贫铬层”,从而使不锈钢的防锈性能出现大幅度的下降。CN109735797A公开了一种奥氏体不锈钢及硬化方法;该方法先使用氦气轰击去除氧化膜,氦气轰击对表面粗糙度影响偏大,且对不锈钢中铬元素的损失亦偏大,会影响不锈钢原来的防腐性能;该方法随后进行离子氮化,离子氮化后再采用机械抛光去除贫铬层;由于机械抛光对于一些凹槽部位难以触及,抛光并不均匀,故抛光后的防腐性能仍然不足,需要再施加镀层来防锈;但氮化层上直接施镀,镀层结合力差,会脱落,故需要加一个“活化”的工序,“活化”工序的目的是提高氮化层与镀层的之间的结合力,该工艺略复杂且成本较高,并且经过“活化”后施加的镀层在经过一段时间的使用后,仍然存在镀层脱落现象。
因此,现有技术有待改进。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明提供一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法。
本发明的目的至少是通过以下之一的技术方案实现的。
一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢的硬化方法,包括以下步骤:
(1)氢气轰击除膜:对清洁后的奥氏体不锈钢材料表面进行氢气轰击;
(2)中高温离子氮化:对经步骤(1)处理后的奥氏体不锈钢材料进行离子氮化,使奥氏体不锈钢材料表面形成渗氮层;
(3)电化学抛光:对经过步骤(2)处理的奥氏体不锈钢材料进行电化学抛光;
(4)阳极钝化:对经过步骤(3)电化学抛光处理的奥氏体不锈钢材料进行阳极钝化。
进一步的,所述步骤(1)中,氢气轰击的温度为190-210℃,电压为 390-410V,时间为5-10min。采用氢气进行轰击,一方面可以除去奥氏体不锈钢表面的氧化膜,为渗氮作准备;另一方面,氢气是所有气体中轰击能量最小的,对基体的表面粗糙度影响最小;在电压不高,轰击时间较短时,对奥氏体不锈钢中的铬的溅射损失最小,从而对奥氏体不锈钢的的防腐性能影响最小。
进一步的,所述步骤(2)中,氮化处理时,真空度为9-11Pa,电压为 580-620V,升温速率为14-16℃/min,温度为350~550℃。
进一步的,所述步骤(2)中,N2与H2的体积比为1:4-1:2,离子氮化2-6h。
所述步骤(2)中,当N2:H2=1:4-1:2,电压580-620V,350~550℃时可以获得比较适中的渗氮速度,同时奥氏体不锈钢中因铬的溅射损失而造成的“贫铬层”不厚,在3微米以下;“贫铬层”在后续处理中可以较容易的去除。
进一步的,所述步骤(3)中,电化学抛光液由硫酸、磷酸、甘油和水组成,且硫酸、磷酸、甘油的具体组成是:硫酸(H2SO4):5-15ml/L;磷酸 (H3PO4):20-40ml/L;甘油[C3H5(OH)3]:30-50ml/L;其余为水。采用电解抛光与化学溶解的复合,硫酸的主要作用主要是溶蚀,可以快速除去“贫铬层”;磷酸、甘油的主要作用在于电解抛光,可以获得较为平整的表面。
进一步的,所述步骤(3)中,电化学抛光时的电压为15-30V,阳极电流密度为5-15A/dm2,温度为50-60℃,时间为3-6min。
进一步的,所述步骤(3)中,经过步骤(2)处理的奥氏体不锈钢材料为阳极,阴极材料采用铅。
进一步的,所述步骤(4)中,钝化液的组成是亚硝酸钠、氢氧化钠和水,且亚硝酸钠、氢氧化钠的具体组成是亚硝酸钠:30-40g/L;氢氧化钠:20-30g/L;其余为水。亚硝酸钠是还原剂;氢氧化钠一方面作为亚硝酸钠的稳定剂,另一方面在阳极钝化时,以OH-向阳极运动,在亚硝酸根还原性作用下,在阳极(工件)上会将OH-中的氧还原成氧气的析出,从而会促进氧化膜(钝化膜)的生成,使阳极钝化。
进一步的,所述步骤(4)中,电压为25-35V。
进一步的,所述步骤(4)中,经过步骤(3)处理的奥氏体不锈钢材料为阳极,阴极材料采用不锈钢。
经过上述步骤硬化后的奥氏体不锈钢,经检测能够在基体表面形成一层厚度为10um~20um,硬度为900Hv以上的氮化层,且防腐性能可达到要求。
本发明与现有技术相比,有如下有益效果:(1)可以显著提高奥氏体不锈钢的表面硬度及耐磨性能:本发明能够在奥氏体不锈钢表层形成一层厚度为 10um~20um,硬度为900Hv以上的氮化层。(2)不降低奥氏体不锈钢原有的防锈性能:通过电化学抛光,将离子氮化后影响防锈性能的“贫铬层”去除,通过阳极钝化,能在工件表面形成一层致密的钝化膜,确保工件具有良好的防锈性能。(3)生产效率高。所述方法适用范围广,如适用于精密、装饰及防腐性能要求高的如钟表类零件,对有耐磨及防腐性能要求的如食品机械类零件,以及对耐磨性要求很高的如齿轮类零件。(4)氮化层是渗层,不存在脱落现象。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施 不限于此。
实施例1
对精密、装饰及防腐性能要求高的如钟表类零件,不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法,按如下步骤进行:
(1)氢气轰击快速除膜:将清洁后的奥氏体不锈钢材料置于等离子体渗氮炉的阴极盘上,加热后充入氢气,调整电压进行氢气轰击;
(2)中高温离子氮化:在步骤(1)结束后,快速抽出氢气;注入氩气,调整真空度和电压;将奥氏体不锈钢材料快速加热;然后注入氮气和氢气,保温进行离子氮化。关闭电源,随炉冷却到室温。
(3)电化学抛光:经过步骤(2)处理的不锈钢材料作为阳极,并置于电解槽中,通电进行电化学抛光;
(4)阳极钝化:经过步骤(3)电解抛光处理的奥氏体不锈钢材料作为阳极,进行阳极钝化。
所述步骤(1)中,氢气轰击的温度为190℃,电压为390V,时间为5min。
所述步骤(2)中,真空度为9Pa,电压为580V,升温速率为14℃/min,温度为350℃,N2与H2的体积比为1:4,离子氮化2h。
所述步骤(3)中,电化学抛光液由硫酸、磷酸、甘油和水组成,且硫酸、磷酸和甘油的具体组成是:硫酸(H2SO4):5ml/L;磷酸(H3PO4):20ml/L;甘油[C3H5(OH)3]:50ml/L;其余为水。电化学抛光时的电压为15V,阳极电流密度为5A/dm2,温度为60℃,时间为3min。工件为阳极,阴极材料采用铅。
所述步骤(4)中,钝化液的组成是亚硝酸钠、氢氧化钠和水,且亚硝酸钠和氢氧化钠的具体组成是亚硝酸钠:40g/L;氢氧化钠:20g/L;电压为25V。工件为阳极,阴极材料采用不锈钢。
经过上述步骤硬化后的奥氏体不锈钢,经检测能够在基体表面形成一层厚度为10um,硬度为900Hv的氮化层,且防腐性能可达到要求。
实施例2
对有耐磨及防腐性能要求的如食品机械类零件,不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法,按如下步骤进行:
(1)氢气轰击快速除膜:将清洁后的奥氏体不锈钢材料置于等离子体渗氮炉的阴极盘上,加热后充入氢气,调整电压进行氢气轰击;
(2)中高温离子氮化:在步骤(1)结束后,快速抽出氢气;注入氩气,调整真空度和电压;将奥氏体不锈钢材料快速加热;然后注入氮气和氢气,保温进行离子氮化。关闭电源,随炉冷却到室温。
(3)电化学抛光:经过步骤(2)处理的不锈钢材料作为阳极,并置于电解槽中,通电进行电化学抛光;
(4)阳极钝化:经过步骤(3)电解抛光处理的奥氏体不锈钢材料作为阳极,进行阳极钝化。
所述步骤(1)中,氢气轰击的温度为200℃,电压为400V,时间为8min。
所述步骤(2)中,真空度为10Pa,电压为600V,升温速率为15℃/min,温度为450℃,N2与H2的体积比为1:3,离子氮化4h。
所述步骤(3)中,电化学抛光液由硫酸、磷酸、甘油和水组成,且硫酸、磷酸和甘油的具体组成是:硫酸(H2SO4):10ml/L;磷酸(H3PO4):30ml/L;甘油[C3H5(OH)3]:40ml/L;其余为水。电化学抛光时的电压为24V,阳极电流密度为10A/dm2,温度为55℃,时间为5min。工件为阳极,阴极材料采用铅。
所述步骤(4)中,钝化液的组成是亚硝酸钠、氢氧化钠和水,且亚硝酸钠和氢氧化钠的具体组成是亚硝酸钠:35g/L;氢氧化钠:25g/L;电压为30V。工件为阳极,阴极材料采用不锈钢。
经过上述步骤硬化后的奥氏体不锈钢,经检测能够在基体表面形成一层厚度约15um,硬度为1100Hv的氮化层,且防腐性能可达到要求。
实施例3
对耐磨性要求很高的如齿轮类零件,不降低防锈性能的奥氏体不锈钢硬化方法,按如下步骤进行:
(1)氢气轰击快速除膜:将清洁后的奥氏体不锈钢材料置于等离子体渗氮炉的阴极盘上,加热后充入氢气,调整电压进行氢气轰击;
(2)中高温离子氮化:在步骤(1)结束后,快速抽出氢气;注入氩气,调整真空度和电压;将奥氏体不锈钢材料快速加热;然后注入氮气和氢气,保温进行离子氮化。关闭电源,随炉冷却到室温。
(3)电化学抛光:经过步骤(2)处理的不锈钢材料作为阳极,并置于电解槽中,通电进行电化学抛光;
(4)阳极钝化:经过步骤(3)电解抛光处理的奥氏体不锈钢材料作为阳极,进行阳极钝化。
所述步骤(1)中,氢气轰击的温度为210℃,电压为410V,时间为10min。
所述步骤(2)中,真空度为11Pa,电压为620V,升温速率为16℃/min,温度为550℃,N2与H2的体积比为1:2,离子氮化6h。
所述步骤(3)中,电化学抛光液由硫酸、磷酸、甘油和水组成,且硫酸、磷酸和甘油的具体组成是:硫酸(H2SO4):15ml/L;磷酸(H3PO4):40ml/L;甘油[C3H5(OH)3]:30ml/L;其余为水。电化学抛光时的电压为30V,阳极电流密度为15A/dm2,温度为50℃,时间为6min。工件为阳极,阴极材料采用铅。
所述步骤(4)中,钝化液的组成是亚硝酸钠、氢氧化钠和水,且亚硝酸钠和氢氧化钠的具体组成是亚硝酸钠:30g/L;氢氧化钠:30g/L;电压为35V。工件为阳极,阴极材料采用不锈钢。
经过上述步骤硬化后的奥氏体不锈钢,经检测能够在基体表面形成一层厚度约为20um,硬度约为1200Hv的氮化层,且防腐性能可达到要求。
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 (9)

1.一种不降低防锈性能的奥氏体不锈钢的硬化方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)氢气轰击除膜:对清洁后的奥氏体不锈钢材料表面进行氢气轰击;
(2)中高温离子氮化:对经步骤(1)处理后的奥氏体不锈钢材料进行离子氮化处理,使奥氏体不锈钢材料表面形成渗氮层;
(3)电化学抛光:对经过步骤(2)处理的奥氏体不锈钢材料进行电化学抛光;
(4)阳极钝化:对经过步骤(3)电化学抛光处理的奥氏体不锈钢材料进行阳极钝化。
2.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(1)中,氢气轰击的温度为190-210℃,电压为390-410V,时间为5-10min。
3.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(2)中,氮化处理时,真空度为9-11Pa,电压为580-620V,升温速率为14-16℃/min,温度为350~550℃。
4.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(2)中,N2与H2的体积比为1:4-1:2,离子氮化2-6h。
5.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(3)中,电化学抛光液由硫酸、磷酸、甘油和水组成,且硫酸、磷酸、甘油的具体组成是:硫酸:5-15ml/L;磷酸:20-40ml/L;甘油:30-50ml/L;其余为水。
6.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(3)中,电化学抛光时的电压为15-30V,阳极电流密度为5-15A/dm2,温度为50-60℃,时间为3-6min。
7.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(4)中,钝化液的组成是亚硝酸钠、氢氧化钠和水,且亚硝酸钠、氢氧化钠的具体组成是亚硝酸钠:30-40g/L;氢氧化钠:20-30g/L;其余为水。
8.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(4)中,电压为25-35V。
9.根据权利要求1所述的硬化方法,其特征在于,所述步骤(3)和(4)中,奥氏体不锈钢材料作为阳极,步骤(3)中,阴极材料为铅,步骤(4)中阴极材料为不锈钢。
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