CN113444998A - 一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，涉及材料表面处理技术领域。本发明提供的高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，包括以下步骤：将高强度奥氏体不锈钢进行固溶处理，得到试验用钢；将所述试验用钢进行冷轧形变处理，得到轧制钢；将所述轧制钢进行表面活化处理，得到活化钢；将所述活化钢进行低温气体氮化处理，形成渗氮层，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢；所述低温气体氮化处理的温度为300～600℃；渗氮时间为6～12h。本发明能够在低温条件下实现对高强度奥氏体不锈钢的气体渗氮，同时能够提高渗氮效率，在短时间内增加渗氮层的厚度，提高奥氏体不锈钢的力学性能。

Description

一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法。
背景技术
气体渗氮是将钢铁零件置于一定温度的含氮气氛中保温一定的时间，使氮原子渗入零件表面的化学热处理技术。气体渗氮技术可以显著提高零件表面的硬度、疲劳强度、耐腐蚀性及耐磨性能等。常规的气体渗氮方法具有工艺周期长(20～80h)、生产效率低以及能源消耗大(处理温度为800℃以上)等缺点，并且渗氮零件表层脆性大、易剥落。
高强度奥氏体不锈钢在航空航天、能源化工等国家装备领域得到了广泛的应用。通常情况下，为提高奥氏体不锈钢的强度，会在奥氏体不锈钢基体内固溶入大量的氮元素，这样可以大幅度地改善奥氏体不锈钢的力学性能。为进一步提高奥氏体不锈钢的强度、耐腐蚀、耐磨性等性能，近年来许多学者致力于奥氏体不锈钢材料的表面强化研究，但相比于传统的渗氮钢(38CrMoAl、40Cr)，奥氏体不锈钢由于其自身结构(面心立方结构)的不同，N原子在奥氏体不锈钢中的扩散要比常用渗氮钢困难的多，同时由于高强度奥氏体不锈钢基体本身就含有大量的氮元素，这就使得气体渗氮过程更加困难。高强度奥氏体不锈钢在低温条件下，很难出现渗氮层。因此如何改善高强度奥氏体不锈钢的低温渗氮难这一现状成为当前研究的主流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，本发明能够在低温条件下实现对高强度奥氏体不锈钢的气体渗氮，同时能够提高渗氮效率，在短时间内增加渗氮层的厚度，提高奥氏体不锈钢的力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，包括以下步骤：
将高强度奥氏体不锈钢进行固溶处理，得到试验用钢；
将所述试验用钢进行冷轧形变处理，得到轧制钢；
将所述轧制钢进行表面活化处理，得到活化钢；
将所述活化钢进行低温气体氮化处理，形成渗氮层，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢；所述低温气体氮化处理的温度为300～600℃；渗氮时间为6～12h。
优选地，所述高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度≥890MPa，屈服强度≥490MPa，延伸率≥45％。
优选地，所述固溶处理的温度为1050～1150℃，保温时间为1～2h。
优选地，所述冷轧形变处理的压下量≥20％。
优选地，所述冷轧形变处理为多道次轧制，每道次的压下量为3～8％。
优选地，所述表面活化处理包括依次进行的除油处理和酸洗处理；
所述除油处理的方法包括：将所述轧制钢置于无水乙醇中，进行超声波清洗；
所述酸洗处理采用的酸洗液为亚磷酸和盐酸的混合溶液。
优选地，所述低温气体氮化处理包括依次进行的强渗处理和扩散处理；所述强渗处理的氮势为3.5～4.5；所述扩散处理的氮势为1.5～2.0。
优选地，所述低温气体氮化处理的步骤包括：
(1)将所述活化钢置于渗氮炉内，将所述渗氮炉的内胆和外胆抽为真空，内胆充入0.3～1MPa的氨气，外胆充入0.3～1MPa的氩气；
(2)将所述渗氮炉加热至低温气体氮化处理的温度，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，进行强渗处理；
(3)保持所述渗氮炉的温度为低温气体氮化处理的温度，打开渗氮炉内胆的放气阀门，每隔一段时间打开内胆的充气阀门，充入氨气使内胆压力达到0.3～1MPa，进行扩散处理，在此状态下至渗氮结束。
优选地，所述低温气体氮化处理后还包括：将所得钢材冷却至室温，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢；所述冷却的降温速率为250～300℃/h。
优选地，所述低温气体氮化处理的压力≥0.3MPa。
本发明提供了一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，通常在低温下，未经任何处理的高强度奥氏体不锈钢的低温渗氮极为困难，即使渗氮时间延长到30h，也很难观察到渗氮层。本发明采用冷轧形变处理能够在变形的过程中形成大量的位错及层错等缺陷，为N原子提供快速扩散的通道，可以加速低温气体渗氮的进程；经过冷轧形变处理的高强度奥氏体不锈钢在低温下、较短的气体渗氮时间内便可以观察到有效的渗氮层组织，加速低温氮化效果明显，提高了低温渗氮的效率；在同样的渗氮层厚度要求下，采用本发明的方法可以有效提高低温渗氮的效率，缩短低温渗氮时间，降低成本及设备损耗，显著改善了当前高强度奥氏体钢低温气体渗氮难的状况。同时渗氮后可以显著改善奥氏体不锈钢的力学性能，使得奥氏体不锈钢的抗拉强度和屈服强度得到提高。
附图说明
图1为对比例1氮化层微观组织图；
图2为实施例1氮化层微观组织图；
图3为对比例2氮化层微观组织图；
图4为实施例2氮化层微观组织图；
图5为实施例1和对比例1制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图；
图6为实施例2和对比例2制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图；
图7为实施例3和对比例3制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图；
图8为实施例4和对比例4制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图；
图9为实施例5和对比例5制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图；
图10为实施例6和对比例6制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，包括以下步骤：
将高强度奥氏体不锈钢进行固溶处理，得到试验用钢；
将所述试验用钢进行冷轧形变处理，得到轧制钢；
将所述轧制钢进行表面活化处理，得到活化钢；
将所述活化钢进行低温气体氮化处理，形成渗氮层，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢；所述低温气体氮化处理的温度为300～600℃；渗氮时间为6～12h。
本发明将高强度奥氏体不锈钢进行固溶处理，得到试验用钢。在本发明中，所述高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度优选≥890MPa，更优选为890～940MPa；屈服强度优选≥490MPa，更优选为490～550MPa；延伸率优选≥45％，更优选为49.2～53.0％。
在本发明中，所述高强度奥氏体不锈钢的硬度优选为250～320HV，更优选为300～310HV。
在本发明的具体实施例中，以质量百分含量计，所述高强度奥氏体不锈钢的化学成分为：Cr 18.9％，Mn 19.3％，Ni 2.0％，C 0.11％，余量为铁；或者为：C 0.013％，Mn24.86％，Cr 17.26％，N 0.008％，余量为铁；或者为：C 0.031％，Mn 23.60％，Cr 24.74％，N 0.70％，余量为铁。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为1050～1150℃，更优选为1150℃；保温时间优选为1～2h。本发明对所述高强度奥氏体不锈钢进行固溶处理，能够使奥氏体不锈钢的晶粒尺寸均匀。
本发明优选在所述固溶处理后，将所得钢材进行水冷，得到试验用钢。在本发明中，所述水冷的温度优选为20℃。
得到试验用钢后，本发明将所述试验用钢进行冷轧形变处理，得到轧制钢。在本发明中，所述冷轧形变处理的压下量优选≥20％，更优选为30～50％。本发明控制上述压下量能够增加高强度奥氏体不锈钢中的位错密度，增强渗氮效果。
在本发明中，所述冷轧形变处理优选为多道次轧制，每道次的压下量优选为3～8％，更优选为5％。
本发明通过冷轧形变处理能够使得高强度奥氏体不锈钢进行较大程度的变形，能够显著增加低温气体渗氮的渗氮效率，在短时间内得到一定的渗氮层。
在本发明中，所述轧制钢的抗拉强度优选为1150～1600MPa，更优选为1600MPa；屈服强度优选为1000～1450MPa，更优选为1400MPa；延伸率优选为10.0～14.0％，更优选为11％；硬度优选为250～320HV，更优选为310HV。
得到轧制钢后，本发明将所述轧制钢进行表面活化处理，得到活化钢。在本发明中，所述表面活化处理优选包括依次进行的除油处理和酸洗处理。在本发明中，所述除油处理的方法优选包括：将所述轧制钢置于无水乙醇中，进行超声波清洗。在本发明中，所述超声波清洗的超声功率优选为80kHz；所述超声波清洗的时间优选为2～3min。本发明通过除油处理，去除轧制钢表面的油污。
在本发明中，所述酸洗处理的方法优选包括：将除油处理后的轧制钢置于酸洗液中，进行酸洗处理。在本发明中，所述酸洗液优选为亚磷酸和盐酸的混合溶液；所述酸洗液中亚磷酸的质量浓度优选为1～2％，HCl的质量浓度优选为2～4％。在本发明中，所述酸洗处理的温度优选为40～70℃，更优选为50～60℃；所述酸洗处理的时间优选为1～3min。本发明通过酸洗处理去除试样表面的钝化膜。
本发明优选将经过表面活化处理后的钢材进行吹干，得到活化钢。
得到活化钢后，本发明将所述活化钢进行低温气体氮化处理，形成渗氮层，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢。在本发明中，所述低温气体氮化处理的温度为300～600℃，优选为400～500℃；渗氮时间为6～12h，优选为12h。在本发明中，所述渗氮时间以活化钢的温度达到低温气体氮化处理的温度开始计时。本发明在较低的渗氮温度下即可实现高效气体渗氮。
在本发明中，所述低温气体氮化处理采用的含氮介质优选为氨气。
在本发明中，所述低温气体氮化处理的压力优选≥0.3MPa，更优选为0.3～1MPa，进一步优选为0.4MPa。
在本发明中，所述低温气体氮化处理优选包括依次进行的强渗处理和扩散处理。在本发明中，所述强渗处理的氮势优选为3.5～4.5，更优选为3.8～4.0；所述强渗处理的时间优选为1～3h，更优选为2h；所述强渗处理的氨气分解率优选低于50％，更优选为20％。
在本发明中，所述扩散处理的氮势优选为1.5～2.0，更优选为1.8～2.0；所述扩散处理的氨气的分解率优选为15～20％，更优选为15％。
在本发明的具体实施例中，所述低温气体氮化处理的步骤包括：
(1)将所述活化钢置于渗氮炉内，将所述渗氮炉的内胆和外胆抽为真空，内胆充入0.3～1MPa的氨气，外胆充入0.3～1MPa的氩气；
(2)将所述渗氮炉加热至低温气体氮化处理的温度，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，进行强渗处理；
(3)保持所述渗氮炉的温度为低温气体氮化处理的温度，打开渗氮炉内胆的放气阀门，每隔一段时间打开内胆的充气阀门，充入氨气使内胆压力达到0.3～1MPa，进行扩散处理，在此状态下至渗氮结束。
本发明优选将所述活化钢置于渗氮炉内，将所述渗氮炉的内胆和外胆抽为真空，内胆充入0.3～1MPa的氨气，外胆充入0.3～1MPa的氩气。在本发明中，所述氨气的充入速度优选为0.5～2L/min，更优选为1L/min；所述氩气的充入速度优选为0.5～2L/min，更优选为1L/min。在本发明中，所述外胆的压力优选与内胆的压力相同。在本发明中，所述内胆的压力更优选为0.4MPa。
在渗氮炉内充入氨气和氩气后，本发明优选将所述渗氮炉加热至低温气体氮化处理的温度，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，进行强渗处理。在本发明中，渗氮炉加热至所述低温气体氮化处理的温度的加热过程优选包括：先以恒定12kW的功率加热至250～550℃，更优选为350～450℃；然后以6kW的功率加热2min后自动断电，2min后继续通电，随后以6kW的功率加热，以此往复加热至低温气体氮化处理的温度。本发明采用上述加热过程能够加快渗氮炉的到温速度，同时保证到达指定温度后氨气分解率的稳定。
所述强渗处理后，本发明优选保持所述渗氮炉的温度为低温气体氮化处理的温度，打开渗氮炉内胆的放气阀门，每隔一段时间打开内胆的充气阀门，充入氨气使内胆压力达到0.3～1MPa，进行扩散处理，在此状态下至渗氮结束。在本发明中，打开渗氮炉内胆的放气阀门后，本发明优选以恒定速度排出内胆的氨气，所述氨气的排出速度优选为0.2～0.4L/min。在本发明中，优选1～10min后打开内胆的充气阀门，更优选为5min。在本发明中，所述氨气的充入速度优选为0.5～2L/min。本发明优选在充入氨气使内胆压力达到0.3～1MPa后，关闭内胆的充气阀门，5min后再次打开内胆的充气阀门，充入氨气使内胆压力达到0.3～1MPa，以此往复此过程，进行扩散处理至渗氮结束。本发明采用上述扩散处理，能够保证新鲜氨气的持续供应。
本发明在所述低温气体氮化处理后优选还包括：将所得钢材冷却至室温，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢。在本发明中，所述冷却的降温速率优选为250～300℃/h，更优选为300℃/h。
在本发明的具体实施例中，所述低温气体氮化处理结束后，关闭渗氮炉电源，打开内胆充放气阀门，充入氩气，使钢材冷却至100℃，将冷却后的钢材取出，水冷至室温。在本发明中，所述氩气的充入速度优选为1～2L/min。
在本发明中，所述氮化后高强度奥氏体不锈钢中渗氮层的厚度优选为5～30μm，更优选为6～15μm。
在本发明中，所述氮化后高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度优选为1280～1740MPa，更优选为1640～1740MPa；屈服强度优选为1060～1430MPa，更优选为1400～1430MPa；延伸率优选为11.0～15.6％，更优选为14.6～15.0％；表层硬度优选为570～700HV，更优选为680～700HV；次表层硬度优选为500～650HV，更优选为600～650HV。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
以质量百分含量计，本实施例采用的高强度奥氏体不锈钢的化学成分为：Cr18.9％，Mn 19.3％，Ni 2.0％，C 0.11％，余量为铁。
将所述高强度奥氏体不锈钢进行1150℃保温1h后水冷的固溶处理，得到试验用钢；
将10mm厚度的所述试验用钢在轧机上进行多道次轧制，每道次的压下量为5％，最终轧后压下量为50％，得到轧制钢；
将所述轧制钢放入超声波震荡的无水乙醇中，在80kHz的超声功率条件下清洗2min；随后将其放进50℃的酸洗液(2wt％亚磷酸+4wt％盐酸溶液)内酸洗3min后取出，将试样表面吹干，得到活化钢；
将所述活化钢置于渗氮炉内，将渗氮炉内胆抽为真空，以1L/min的速度充入氨气，将渗氮炉内胆充至0.4MPa，渗氮炉外胆以1L/min的速度充入氩气，将外胆充至内胆相同的压力；
将渗氮炉的温度设定为500℃，加热过程分两个阶段完成，第一阶段以恒定12kW的功率加热至450℃，第二阶段以6kW的功率加热2min后自动断电，2min后继续通电，随后以6kW的功率加热，以此往复加热至500℃；渗氮炉加热结束后，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，保持氨气分解率低于50％，氮势为4.0，保温2h；
开启渗氮炉内胆放气阀门，以恒定0.2L/min的速度排出内胆的氨气，5min后开启内胆充气阀，以恒定0.5L/min的速度将渗氮炉内胆压力充至设定值0.4MPa，关闭充气阀门，5min后再次打开内胆充气阀门，将渗氮炉内胆压力充至设定值0.4MPa，以此往复此过程至渗氮结束，此过程中，氮势为1.8，氨气的分解率为15％；
当渗氮时间达到6h后，关闭渗氮炉电源，打开内胆充放气阀门，充气阀门此时以恒定流速2L/min充入氩气，渗氮炉降温至100℃时将钢材取出，水冷至室温，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢。
实施例2
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于渗氮时间由“6h”调整为“12h”。
对比例1
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于省略多道次轧制过程。
对比例2
与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于省略多道次轧制过程。
测试例1
实施例1～2和对比例1～2采用的高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度为940MPa，屈服强度为550MPa，延伸率为49.2％。
实施例1中轧制钢的抗拉强度为1599MPa，屈服强度为1379MPa，延伸率为11.6％。
在低温气体渗氮6h的情况下，将未形变处理(对比例1)和多道次形变处理(实施例1)的渗氮结果进行相应对比，可以看到未形变处理的高强度奥氏体不锈钢渗氮后表层未出现任何变化，没有观察到有效的渗氮层，如图1所示；50％轧制量的高强度奥氏体不锈钢在表层出现了明显的渗氮层，厚度为5～6μm，如图2所示。
在低温气体渗氮12h的情况下，将未形变处理(对比例2)和多道次形变处理(实施例2)的渗氮结果进行对比，可以看到未形变处理的高强度奥氏体不锈钢渗氮后表层未出现任何变化，没有观察到有效的渗氮层，如图3所示；50％轧制量的高强度奥氏体不锈钢在表层出现了明显的渗氮层，厚度为15μm，如图4所示。
图5为实施例1和对比例1制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图。其中，横坐标为合金渗氮层中检测点距离合金表面的距离；纵坐标为硬度值。由图5可以看到，经6h渗氮处理后，未形变处理试样(对比例1)的渗氮表层硬度与基体硬度基本保持一致，为292HV，这表明未形成有效的渗氮层。此时经6h渗氮后未变形试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率与渗氮前保持一致。50％轧制量渗氮后(实施例1)表层硬度为700HV，其基体硬度为530HV，可见渗氮后表层硬度得到了明显的提高，此时50％轧制量的试样其抗拉强度为1640MPa，屈服强度为1400MPa，延伸率为11.8％。
图6为实施例2和对比例2制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度曲线变化图。由图6可以看出，经12h渗氮处理后，未形变处理试样(对比例2)的渗氮表层硬度与基体硬度相同，未出现渗氮层，此时经12h渗氮后未变形试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率与未渗氮前保持一致。50％轧制量的试样(实施例2)渗氮后表层硬度为700HV，次表层硬度为650HV，其基体硬度为530HV，渗氮后表层硬度提高，此时50％轧制量试样其抗拉强度为1740MPa，屈服强度为1430MPa，延伸率为12％。
这表明渗氮过程对其力学性能产生了较大的影响，大幅度提高了50％冷轧形变处理试样的抗拉强度和屈服强度的同时保持着较好的延伸率，因而此渗氮方法具有较为可靠的应用价值。
实施例3
以质量百分含量计，本实施例采用的高强度奥氏体不锈钢的化学成分为：C0.013％，Mn 24.86％，Cr 17.26％，N 0.008％，余量为铁。
将所述高强度奥氏体不锈钢进行1150℃保温1h后水冷的固溶处理，得到试验用钢；
将10mm厚度的所述试验用钢在轧机上进行多道次轧制，每道次的压下量为5％，最终轧后压下量为50％，得到轧制钢；
将所述轧制钢放入超声波震荡的无水乙醇中，在80kHz的超声功率条件下清洗2min；随后将其放进50℃的2wt％亚磷酸+4wt％盐酸溶液内酸洗3min后取出，将试样表面吹干，得到活化钢；
将所述活化钢置于渗氮炉内，将渗氮炉内胆抽为真空，以1L/min的速度充入氨气，将渗氮炉内胆充至0.4MPa，渗氮炉外胆以1L/min的速度充入氩气，将外胆充至内胆相同的压力；
将渗氮炉的温度设定为450℃，加热过程分两个阶段完成，第一阶段以恒定12kW的功率加热至400℃，第二阶段以6kW的功率加热2min后自动断电，2min后继续通电，随后以6kW的功率加热，以此往复加热至450℃；渗氮炉加热结束后，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，保持氨气分解率低于50％，氮势为3.8，保温2h；
开启渗氮炉内胆放气阀门，以恒定0.2L/min的速度排出内胆的氨气，5min后开启内胆充气阀，以恒定0.5L/min的速度将渗氮炉内胆压力充至设定值0.4MPa，关闭充气阀门，5min后再次打开内胆充气阀门，将渗氮炉内胆压力充至设定值0.4MPa，以此往复此过程至渗氮结束，此过程中，氮势为1.8，氨气的分解率为15％；
当渗氮时间达到6h后，关闭渗氮炉电源，打开内胆充放气阀门，充气阀门此时以恒定流速2L/min充入氩气，渗氮炉降温至100℃时将钢材取出，水冷至室温，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢。
实施例4
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于渗氮时间由“6h”调整为“12h”。
对比例3
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于省略多道次轧制过程。
对比例4
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处仅在于省略多道次轧制过程。
测试例2
实施例3～4和对比例3～4采用的高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度为890MPa，屈服强度490MPa，延伸率为53.0％。
实施例3中轧制钢的抗拉强度为1400MPa，屈服强度为1200MPa，延伸率为11％。
图7为实施例3和对比例3制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度变化曲线图。由图7可以看出，经气体渗氮6h后，未进行冷轧形变处理(对比例3)的试验用钢没有出现渗氮层，其基体硬度与表层硬度数值相同，为250HV。50％轧制量的试样(实施例3)渗氮后渗氮层的厚度为10μm，渗氮表层硬度650HV，基体硬度为500HV，表层硬度得到了明显的提高。气体渗氮6h后未形变处理试样的抗拉强度为800MPa，屈服强度为420MPa，延伸率为55.0％。50％轧制量的试样氮化后其抗拉强度为1450MPa，屈服强度为1230MPa，延伸率为15％。
图8为实施例4和对比例4制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度变化曲线图。由图8可以看出，经气体渗氮12h后，未进行冷轧形变处理试样(对比例4)没有出现渗氮层，其基体硬度与表层硬度数值相同，为240HV。50％轧制量的试样(实施例5)渗氮后渗氮层的厚度为30μm，渗氮表层硬度为650HV，基体硬度为500HV，表层硬度得到了明显的提高。气体渗氮12h后未形变处理试样的抗拉强度为780MPa，屈服强度为400MPa，延伸率为56.0％。50％轧制量的试样氮化处理12h后，试样的抗拉强度为1500MPa，屈服强度为1280MPa，延伸率为15％。
通过此实例可以发现，采用本发明提供的方法不仅可以形成有效的渗氮层，提高材料表面的硬度，同时可以提高材料的抗拉强度和屈服强度，材料的延伸率也保持在较高的水平。
实施例5
以质量百分含量计，本实施例采用的高强度奥氏体不锈钢的化学成分为：C0.031％，Mn 23.60％，Cr 24.74％，N 0.70％，余量为铁。
将所述高强度奥氏体不锈钢进行1150℃保温1h后水冷的固溶处理，得到试验用钢；
将10mm厚度的所述试验用钢在轧机上进行多道次轧制，每道次的压下量为5％，最终轧后压下量为30％，得到轧制钢；
将所述轧制钢放入超声波震荡的无水乙醇中，在80kHz的超声功率条件下清洗2min；随后将其放进50℃的2wt％亚磷酸+4wt％盐酸溶液内酸洗3min后取出，将试样表面吹干，得到活化钢；
将所述活化钢置于渗氮炉内，将渗氮炉内胆抽为真空，以1L/min的速度充入氨气，将渗氮炉内胆充至0.4MPa，渗氮炉外胆以1L/min的速度充入氩气，将外胆充至内胆相同的压力；
将渗氮炉的温度设定为400℃，加热过程分两个阶段完成，第一阶段以恒定12kW的功率加热至350℃，第二阶段以6kW的功率加热2min后自动断电，2min后继续通电，随后以6kW的功率加热，以此往复加热至400℃；渗氮炉加热结束后，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，保持氨气分解率低于50％，氮势为3.8，保温2h；
开启渗氮炉内胆放气阀门，以恒定0.2L/min的速度排出内胆的氨气，5min后开启内胆充气阀，以恒定0.5L/min的速度将渗氮炉内胆压力充至设定值0.4MPa，关闭充气阀门，5min后再次打开内胆充气阀门，将渗氮炉内胆压力充至设定值0.4MPa，以此往复此过程至渗氮结束，此过程中，氮势为1.8，氨气的分解率为15％；
当渗氮时间达到6h后，关闭渗氮炉电源，打开内胆充放气阀门，充气阀门此时以恒定流速2L/min充入氩气，渗氮炉降温至100℃时将钢材取出，水冷至室温，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢。
实施例6
与实施例5的制备方法基本相同，不同之处仅在于渗氮时间由“6h”调整为“12h”。
对比例5
与实施例5的制备方法基本相同，不同之处仅在于省略多道次轧制过程。
对比例6
与实施例6的制备方法基本相同，不同之处仅在于省略多道次轧制过程。
测试例3
实施例5～6和对比例5～6采用的高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度为980MPa，屈服强度570MPa，延伸率为45.0％。
实施例5中轧制钢的抗拉强度为1280MPa，屈服强度为1060MPa，延伸率为13.2％。
图9为实施例5和对比例5制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度变化曲线图。经气体渗氮6h后，未进行冷轧形变处理的试样(对比例5)没有出现渗氮层，其基体硬度与表层硬度数值相同，为310HV。30％轧制量的试样(实施例5)渗氮后渗氮层的厚度为10μm，渗氮表层硬度570HV，基体硬度为500HV，表层硬度得到了提高。气体渗氮6h后未形变处理试样的抗拉强度为930MPa，屈服强度为520MPa，延伸率为50.0％。30％轧制量的试样抗拉强度为1320MPa，屈服强度为1090MPa，延伸率为14.6％。
图10为实施例6和对比例6制备的氮化后高强度奥氏体不锈钢硬度变化曲线图。经气体渗氮12h后，未冷轧试样(对比例6)没有出现渗氮层，其基体硬度与表层硬度数值相同，为290HV。30％轧制量的试样(实施例6)渗氮后渗氮层的厚度为20μm，渗氮表层硬度为570HV，基体硬度为490HV，表层硬度得到了明显的提高。气体渗氮12h后未形变处理试样的抗拉强度为910MPa，屈服强度为501MPa，延伸率为58.0％。30％轧制量的试样氮化后，抗拉强度为1380MPa，屈服强度为1130MPa，延伸率为15.6％。
可见冷轧形变处理有利于气体渗氮过程，加快了N原子在奥氏体基体中的扩散速度，因而更有利于生成渗氮层，进而提高材料的抗拉强度和屈服强度等力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强度奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高强度奥氏体不锈钢进行固溶处理，得到试验用钢；
将所述试验用钢进行冷轧形变处理，得到轧制钢；
将所述轧制钢进行表面活化处理，得到活化钢；
将所述活化钢进行低温气体氮化处理，形成渗氮层，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢；所述低温气体氮化处理的温度为300～600℃；渗氮时间为6～12h。
2.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述高强度奥氏体不锈钢的抗拉强度≥890MPa，屈服强度≥490MPa，延伸率≥45％。
3.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为1050～1150℃，保温时间为1～2h。
4.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述冷轧形变处理的压下量≥20％。
5.根据权利要求1或4所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述冷轧形变处理为多道次轧制，每道次的压下量为3～8％。
6.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述表面活化处理包括依次进行的除油处理和酸洗处理；
所述除油处理的方法包括：将所述轧制钢置于无水乙醇中，进行超声波清洗；
所述酸洗处理采用的酸洗液为亚磷酸和盐酸的混合溶液。
7.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述低温气体氮化处理包括依次进行的强渗处理和扩散处理；所述强渗处理的氮势为3.5～4.5；所述扩散处理的氮势为1.5～2.0。
8.根据权利要求1或7所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述低温气体氮化处理的步骤包括：
(1)将所述活化钢置于渗氮炉内，将所述渗氮炉的内胆和外胆抽为真空，内胆充入0.3～1MPa的氨气，外胆充入0.3～1MPa的氩气；
(2)将所述渗氮炉加热至低温气体氮化处理的温度，关闭渗氮炉内胆充放气阀门，进行强渗处理；
(3)保持所述渗氮炉的温度为低温气体氮化处理的温度，打开渗氮炉内胆的放气阀门，每隔一段时间打开内胆的充气阀门，充入氨气使内胆压力达到0.3～1MPa，进行扩散处理，在此状态下至渗氮结束。
9.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述低温气体氮化处理后还包括：将所得钢材冷却至室温，得到氮化后高强度奥氏体不锈钢；所述冷却的降温速率为250～300℃/h。
10.根据权利要求1所述的低温气体渗氮方法，其特征在于，所述低温气体氮化处理的压力≥0.3MPa。
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