CN111910234A

CN111910234A - 一种不锈钢表面处理方法

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Publication number: CN111910234A
Application number: CN202010811806.4A
Authority: CN
Inventors: 吴畏; 吴慧舒; 麦俊伟; 张留艳; 张燕超
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明涉及不锈钢材料技术领域，尤其涉及一种不锈钢表面处理方法。本发明公开了一种不锈钢表面处理方法，该处理方法首先对不锈钢表面进行纳米化处理提高不锈钢材料表面的活性，使得材料表面的强度和耐磨性能得到提升，然后将处理好具有良好表面活性的不锈钢进行电化学渗氮处理。由于纳米化处理的合金其表面的晶粒被细化，具有较高的位错，增加了渗氮通道，获得较深的氮化层，使得不锈钢表面整体的耐磨耐蚀性得到提升，且不会影响不锈钢的其它性能。本发明提供的不锈钢表面处理方法采用的电化学渗氮工艺简单，且无需在高温下进行，与传统渗氮工艺相比制备成本低，生产原料无毒无害，对环境友好。

Description

一种不锈钢表面处理方法

技术领域

本发明涉及不锈钢材料技术领域，尤其涉及一种不锈钢表面处理方法。

背景技术

不锈钢在服役过程中仍然面临着疲劳断裂、应力腐蚀和摩擦磨损等问题，由于上述失效通常发生在或起始于材料表面位置，因此实际应用中对不锈钢表面性能的要求越来越高。

目前，常用的提高不锈钢的耐腐蚀和耐摩擦性能方法是在不锈钢表面进行氮化处理，氮化处理的方法主要有：高温物理气相沉积(PVD)、氮离子注入和气体渗氮等。通过这些先进的氮化处理方法改性不锈钢会在表面形成耐腐蚀性能良好的金属氮化物涂层，但是伴随而来的是这些不锈钢表面氮化处理成本很高。为此，开发一种简单高效低成本的氮化处理方法代替传统的高能耗氮化工艺是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种不锈钢表面处理方法，该表面处理方法采用的电化学渗氮工艺简单，且无需在高温下进行，与传统渗氮工艺相比制备成本低，生产原料无毒无害，对环境友好。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种不锈钢表面处理方法，包括以下步骤：

步骤1：对不锈钢表面进行纳米化处理；

步骤2：采用电化学渗氮法对步骤1纳米化处理后的不锈钢进行渗氮处理。

N和Ni都是稳定奥氏体的元素，但是Ni比较昂贵并且会导致皮肤过敏，所以本发明采用N来代替Ni进行渗氮处理。

不锈钢的常规渗氮工艺由于温度(T>500℃)，导致器件表面有大量的含Cr氮化物析出，虽然提高了耐磨性但耐蚀性却显著降低。本发明不锈钢在渗氮溶液中经过电化学处理，由于电化学工艺具有低温优点，从而避免了Cr氮化物的析出；电化学渗氮处理后，会在不锈钢表面形成一层致密的氮化层，使其同时具备良好的耐磨性和耐蚀性。

但申请人发现，电化学渗氮虽然具有低温的优点，但随着处理温度的降低，氮在不锈钢中的扩散系数显著降低，导致氮在不锈钢中的渗氮深度很小，渗氮时间通常很长。因此，本发明在电化学渗氮前对不锈钢表面纳米化处理使不锈钢表面形成大量的位错与缺陷，而这些缺陷的晶粒大小均为纳米级别，纳米化组织与基体组织之间不存在明显界面，不会发生剥层或者分离，提高不锈钢材料表面的活性，增加氮通道，从而可以在不降低耐腐蚀的前提下，提高不锈钢的耐磨性。本发明提供的不锈钢表面处理方法无需在高温下进行，电化学渗氮设备简单，与传统渗氮工艺相比制备成本低，减少了能源消耗，环保绿色。

由于双相不锈钢有铁素体相与奥氏体相的独特的两相组织，使得其兼具奥氏体和铁素体不锈钢的优点，即良好的机械和焊接性能优良的耐点蚀和应力腐蚀开裂的性能。双相不锈钢得到了越来越多国家和企业的认可和重视，己经被广泛应用于石油、化工、天然气、建筑、造纸和海洋勘探等重大工程领域。因此，本发明不锈钢优选为不锈钢为2205双相不锈钢。本发明采用电化学渗氮处理双相不锈钢后，N会和奥氏体结合形成新的相就是所谓的“S”相，是N在γ相中的过饱和固溶体，具有较好的耐腐蚀性能和摩擦磨损性能。

本发明步骤1中，所述喷丸处理具体为：

(1)采用180～800目的碳化硅砂纸对不锈钢表面依次进行打磨、丙酮除油污并在乙醇溶液中超声清洗后吹干；

(2)将处理好的试样放在夹具上，设定好喷丸参数，采用超声喷丸进行表面纳米化；

(3)喷丸后的不锈钢用丙酮清洗去除油污，在乙醇溶液中超声清洗5min后吹干。

本发明中，所述喷丸处理中不锈钢试样的尺寸为10mm×10mm×5mm；

所述喷丸处理中喷丸粒径为：0.2～0.8mm，喷丸压力为：0.4～0.8MPa，所述喷丸时间为：6～15min。

本发明步骤2中，所述电化学渗氮方法为恒电位电化学渗氮。

所述恒电位电化学渗氮中，所述不锈钢作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片作为辅助电极，具体包括以下步骤：

1)在开路电位下，在渗氮溶液中静置；

2)设定电化学渗氮电位，进行氮化；

所述渗氮溶液为硝酸和硝酸钾混合溶液；

所述渗氮溶液中硝酸的浓度为0.1～0.3M，硝酸钾的浓度为0.4～0.6M；

所述静置的时间为10-20min；

所述电化学渗氮的电位为-0.4～-0.9Vsce，温度为20℃～25℃，时间为12-24h。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种不锈钢表面处理方法，该处理方法首先对不锈钢表面进行纳米化处理提高不锈钢材料表面的活性，使得材料表面的强度和耐磨性能得到提升，然后将处理好具有良好表面活性的不锈钢进行电化学渗氮处理。由于纳米化处理的合金其表面的晶粒被细化，具有较高的位错，增加了渗氮通道，获得较深的氮化层，使得不锈钢表面整体的耐磨耐蚀性得到提升，且不会影响不锈钢的其它性能。本发明提供的不锈钢表面处理方法使用的电化学渗氮工艺简单，且无需在高温下进行，与传统渗氮工艺相比制备成本低，生产原料无毒无害，对环境友好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明对比例1中未经表面纳米化处理，仅经电化学渗氮处理的不锈钢工作表面的显微组织图；

图2为本发明实施例1中经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢工作表面的显微组织图；

图3为本发明实施例1中未经任何处理的原始不锈钢、仅经过表面纳米化处理后的不锈钢、经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢和对比例1仅经电化学渗氮处理的不锈钢的摩擦系数对比图；

图4为本发明实施例1中未经任何处理的原始不锈钢、仅经过表面纳米化处理后的不锈钢、经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢和对比例1仅经电化学渗氮处理的不锈钢的在3.5wt％NaCl中的不锈钢的动电位极化曲线图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的试剂和原料均为市购。

实施例1

采用喷丸的方法对不锈钢表面进行纳米化处理后再采用恒电位极化的方法进行渗氮处理。

1.采用喷丸的方法对不锈钢表面进行纳米化处理，喷丸的具体步骤如下：

(1)对不锈钢表面进行打磨去除氧化层，其中，打磨采用180目、400目、600目、以及800目的碳化硅砂纸依次打磨；

(2)对打磨好的不锈钢进行超声波清洗去除表面杂质，然后再乙醇去水吹干；

(3)采用高能喷丸方法,使用直径为0.5mm的不锈钢弹丸在0.6MPa压力下对2205双相不锈钢试样进行10min的喷丸处理；

(4)喷丸后的不锈钢用丙酮清洗去除油污，在乙醇溶液中超声清洗5min后吹干，在不锈钢表面获得一层致密的纳米层；

2.采用恒电位电化学渗氮的方法对不锈钢表面进行渗氮处理，渗氮的具体步骤如下：

(1)对步骤1纳米化后的不锈钢进行线切割，加工出尺寸为10×10×5mm的试样，预留一个10×10mm工作面；

(3)在预留面的背面焊上铜导线用环氧树脂密封试样并露出10×10mm工作面；

(4)将步骤(3)制得的样品放置在硝酸和硝酸钾溶液中，溶液浓度为0.1M HNO₃+0.5M KNO₃；

(5)用三电极体系进行恒电位电化学氮化处理，其中不锈钢作为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极；

(6)电化学氮化过程分两段组成，第一段在开路状态下静置，此段时间为10min；然后选择氮化电位为-0.7Vsce进行氮化改性，处理时间为18h，溶液温度维持在20～25℃；

(7)渗氮完成后不锈钢样品用去离子水清洗后用吹风机吹干进行摩擦磨损测试和电化学测试。

对本实施例喷丸处理前后的工件表面进行显微组织观察，结果如图1和图2所示。

图1为本实施例未进行喷丸处理的不锈钢工作表面显微组织图，图2为本实施例经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢工作表面的显微组织图。图1和图2可知，不锈钢表面氮化后会在表面形成一层白亮层为氮在奥氏体中的过饱和固溶体，通过对比发现，经过表面纳米化处理的不锈钢晶粒得到细化并获得更加致密均匀的白亮层。

实施例2

按照实施例1的方法进行不锈钢工件表面处理，与实施例1不同的是，喷丸采用的弹丸直径为0.2mm，压力为0.8MPa，高能喷丸处理的时间为15min。采用-0.9V_sce的恒电位对工作表面进行24h的恒电位电化学渗氮。

实施例3

按照实施例1的方法进行不锈钢工件表面处理，与实施例1不同的是，喷丸采用的弹丸直径为0.8mm，压力为0.4MPa，高能喷丸处理的时间为6min。采用-0.4V_sce的恒电位对工作表面进行12h的恒电位电化学渗氮。

对比例1

本对比例按照实施例1的方法进行不锈钢工件表面处理，与实施例1的区别在于，不进行喷丸处理，直接通过电化学渗氮对不锈钢表面进行改性。

实施例4

本实施例对未经任何处理的不锈钢、仅经过表面纳米化处理后的不锈钢、经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢和对比例1仅经电化学渗氮处理的不锈钢进行摩擦磨损测试，结果如图3所示。

图3为实施例1未经任何处理的不锈钢、仅经过表面纳米化处理后的不锈钢、经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢和对比例1仅经电化学渗氮处理的不锈钢的摩擦系数对比图。由图3可知，纳米化处理后的不锈钢摩擦系数较基体降低，氮化后的不锈钢获得较好的耐磨层，而纳米化结合电化学氮化后的不锈钢更耐磨，在很长一段时间内均保持很低的摩擦系数，结果说明综合改性后的不锈钢耐磨性更优。

实施例5

将本发明实施例1未经任何处理的原始不锈钢、仅经过表面纳米化处理后的不锈钢、经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢和对比例1仅经电化学渗氮处理的不锈钢在质量浓度为3.5wt％NaCl溶液中采用CH Instruments Ins公司提供的CHI700E系列电化学工作站进行电化学腐蚀行为测试，实验结果如图4所示。

图4为本发明实施例1中未经任何处理的原始不锈钢、仅经过表面纳米化处理后的不锈钢、经表面纳米化处理和电化学渗氮处理后的不锈钢和对比例1仅经电化学渗氮处理的不锈钢的在3.5wt％NaCl中的不锈钢的动电位极化曲线图。由图4可知，极化曲线整体向左上方移动，即自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度减小。表面纳米化后腐蚀电位升高且维顿电流密度比原始不锈钢低，说明不锈钢经过表面纳米化后耐腐蚀能力得到增强；氮化后的试样腐蚀电位进一步增加，维顿电流密度更低，表面纳米化结合电化学氮化改性不锈钢的极化曲线有较好的塔菲尔区，可以获得更好的钝化膜，更耐点蚀。说明表面纳米化对电化学氮化起到了促进作用，提高了渗氮效率，得到了更加致密的渗氮层。

实施例2和实施例3的极化曲线相对于对比例1都向左上方移动，自腐蚀电位升高，腐蚀电流密度减小，说明表面纳米化结合电化学渗氮不锈钢能获得更好的耐腐蚀性。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种不锈钢表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对不锈钢表面进行纳米化处理；

2.根据权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述不锈钢为2205双相不锈钢。

3.根据权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述电化学渗氮方法为恒电位电化学渗氮。

4.根据权利要求3所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述恒电位电化学渗氮包括以下步骤：

1)在开路电位下，在渗氮溶液中静置；

2)设定电化学渗氮电位，进行氮化；

所述不锈钢作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片作为辅助电极。

5.根据权利要求4所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述渗氮溶液为硝酸和硝酸钾混合溶液；

所述渗氮溶液中硝酸的浓度为0.1～0.3M，硝酸钾的浓度为0.4～0.6M。

6.根据权利要求4所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述静置的时间为10-20min。

7.根据权利要求4所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述电化学渗氮的电位为-0.4～-0.9Vsce，温度为20℃～25℃，时间为12-24h。

8.根据权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述纳米化处理采用喷丸处理。

9.根据权利要求8所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述喷丸处理中不锈钢试样的尺寸为10×10×5mm。

10.根据权利要求8所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述喷丸处理中喷丸粒径为：0.2～0.8mm，喷丸压力为：0.4～0.8MPa，所述喷丸时间为：6～15min。