CN114317898B - 一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，涉及一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法。目的是解决采用常规的表面强化工艺处理得到的铁素体不锈钢的耐磨性差、或者耐磨性提高后耐腐蚀性降低等问题。方法：固溶处理，退火处理，低温热扩渗处理，所述低温热扩渗处理工艺为低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗、低温渗碳。本发明首先采用优化的固溶+退火热处理工艺，获得无σ析出相、组织均匀化的退火态组织，此后采用低温热扩渗处理制备低温热扩渗改性层，在提高铁素体不锈钢硬度和耐磨性的同时，提升铁素体不锈钢的耐蚀性，本发明工艺简单、处理温度低、能耗低。本发明适用于提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法。
背景技术
铁素体不锈钢含铬量在12～30wt.％之间，具有体心立方晶体结构，这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Al、Mo、Ti、Nb等元素，其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，属于这一类的有1Cr17、1Cr17Mo2Ti、0Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。由于我国镍资源比较匮乏，并且，国际上镍资源价格波动幅度大，这极大地加速了不含镍的铁素体不锈钢地发展。根据不锈钢的纯净度，特别是碳、氮杂质含量可分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢。铁素体不锈钢因其含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，主要应用于化工、造纸、电力等行业。一般作为受力不大的耐酸结构钢或抗氧化钢，如汽车排气系统，洗衣机滚筒，化工设备的容器、管道和卡套等。另外，铁素体不锈钢热处理后容易出现σ析出相(σ析出相为含45wt.％Cr的Fe-Cr金属间化合物，无磁性，硬而脆)，存在475℃脆性和925℃以上高温脆性，缺口敏感性及较高的晶间腐蚀倾向，焊接性较差等缺点，在工业应用上受到一定限制。另外，铁素体不锈钢卡套等存在摩擦磨损的零部件存在耐磨性差的问题，影响管道系统的使用寿命。目前对铁素体不锈钢的研究主要集中在新型铁素体不锈钢材料的开发，研究元素种类和含量对铁素体不锈钢强度和耐磨性能的影响。
表面改性处理可有效地改善不锈钢材料表面性能，是提高不锈钢的强度、耐磨性能以及提高耐腐蚀性能的有效手段。对铁素体不锈钢，主要采用的表面强化处理方法有表面激光熔覆、常规热扩渗(渗氮、渗碳、氮碳共渗、碳氮共渗等)、等离子体浸没注入等方法，其中激光熔覆处理设备要求高、加工难度大、成本高；常规渗氮、渗碳、氮碳共渗以及碳氮共渗处理温度大于500℃，温度高，能耗大，处理后的铁素体不锈钢耐磨性提高但耐腐蚀性下降。等离子体浸没注入的设备要求高、改性层浅，耐磨性不足。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，以解决采用常规的表面强化工艺对铁素体不锈钢进行处理时，加工难度大、工艺温度高、能耗大，处理得到的铁素体不锈钢的耐磨性差、或者耐磨性提高后耐腐蚀性降低等问题。
本发明提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法按以下步骤进行：
步骤一、固溶处理
将铁素体不锈钢零件置于热处理炉内进行固溶处理，固溶处理温度为1020～1200℃，保温时间为0.5～2h；固溶处理后的冷却方式为水冷或油冷；冷却以后得到组织内部无σ析出相、晶粒大小均匀的固溶态组织；固溶处理在升温至1020～1200℃过程中升温速率均匀，所述升温速率不宜过快，固溶处理的升温速率为0.5-1℃/min，保温阶段温度应该保持上下波动小或无波动。
所述不锈钢零件为铁素体不锈钢；所述铁素体不锈钢包括低铬铁素体不锈钢、中铬铁素体不锈钢、含Mo铁素体不锈钢、超纯铁素体不锈钢；
步骤二、退火处理
将步骤一得到的固溶态铁素体不锈钢零件置于热处理炉内进行退火处理；
固溶态铁素体不锈钢零件为低铬铁素体不锈钢、中铬铁素体不锈钢或含Mo铁素体不锈钢时，退火温度为750～850℃，保温时间0.5～2h；退火处理后的冷却方式为空冷或炉冷；
固溶态铁素体不锈钢零件为超纯铁素体不锈钢时，退火温度为850～920℃；保温时间0.5～2h；退火处理后的冷却方式为空冷或炉冷；
退火处理得到无σ析出相、组织均匀的退火组织；退火处理的升温速率为0.5-1℃/min；
步骤三、低温热扩渗处理
将步骤二得到的退火处理后铁素体不锈钢零件依次经除油、除垢、干燥后，进行低温热扩渗处理；低温热扩渗处理能够在铁素体不锈钢表面获得厚度为5～80μm，硬度可达1000～1500HV的耐磨且耐蚀的改性层。
所述低温热扩渗处理工艺为：低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗、低温渗碳；低温渗氮包括为低温气体渗氮、低温真空渗氮或低温等离子体渗氮；低温氮碳共渗为低温气体氮碳共渗、低温真空氮碳共渗或低温等离子体氮碳共渗；低温碳氮共渗为低温气体碳氮共渗、低温真空碳氮共渗或低温等离子体碳氮共渗；低温渗碳为低温气体渗碳、低温真空渗碳或低温等离子体渗碳；所述低温气体渗氮、低温真空渗氮、低温气体氮碳共渗、低温真空氮碳共渗、低温气体碳氮共渗、低温真空碳氮共渗、低温气体渗碳或低温真空渗碳处理前，在300℃下将零件置于氯化物的气氛中加热10～40min；所述氯化物为NH4Cl。
所述低温渗碳的温度为300～470℃，时间为2～24h，随炉冷却；
所述低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗的温度为300～450℃，时间为2～24h，随炉冷却；
所述低温渗氮的气氛为含氮气氛；低温氮碳共渗的气氛为含氮气氛和含碳气氛，含氮气氛的气体流量大于含碳气氛的气体流量；低温碳氮共渗的气氛为含含碳气氛和氮气氛，含碳气氛的气体流量大于含氮气氛的气体流量；低温渗碳的气氛为含碳气氛；
所述含氮气氛为氨气、或氮气和氢气的混合气；
所述含碳气氛为煤油蒸汽、丙酮蒸汽或甲烷气体。
本发明原理及有益效果为：
1、本发明首先采用优化的固溶+退火热处理工艺，针对不同的铁素体不锈钢类型采用不同的固溶温度，获得无σ析出相、晶粒大小均匀的固溶态组织；得到无脆性以及无晶间腐蚀倾向的铁素体不锈钢；然后选用不同的退火温度，获得无σ析出相、组织均匀化的退火态组织，为低温热扩渗做好组织准备；此后，采用低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗、低温渗碳处理，所选的热处理工艺和低温热扩渗工艺分别有效地消除了铁素体不锈钢中的σ相、规避了敏化温度、避免了475℃脆性和高温脆性，在铁素体不锈钢表面制备出较厚的耐磨且耐蚀的低温热扩渗改性层；低温渗碳时改性层中主要为含碳“膨胀”α相，低温渗氮时改性层中主要为含氮“膨胀”α相，低温氮碳共渗和低温碳氮共渗时改性层中为含氮碳“膨胀”α相。
低温热扩渗改性层能够在提高铁素体不锈钢硬度和耐磨性的同时，提升铁素体不锈钢的耐蚀性，从而全面有效提高铁素体不锈钢整体性能和使用寿命。
2、本发明与已有低温处理工艺相比，所获得改性层厚度深、速度快、渗层组织均匀。
3、本发明中利用低温热扩渗的方法对铁素体不锈钢进行改性，整个过程设备要求低、工艺简单、处理温度低、能耗低。
4、本发明有效解决了目前铁素体不锈钢表面改性中存在的设备要求高、加工难度大、成本高，改性层浅等问题，本发明处理后的铁素体不锈钢不存在耐磨性不足或者耐磨性提高但耐腐蚀性下降等问题。
附图说明
图1为实施例1中处理获得改性层截面形貌图；
图2为实施例1中处理零件改性前后的极化曲线图；
图3为实施例1中处理获得改性前后的摩擦系数图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法按照以下步骤进行：
步骤一、固溶处理
将铁素体不锈钢零件置于热处理炉内进行固溶处理，固溶处理温度为1020～1200℃，保温时间为0.5～2h；
步骤二、退火处理
将步骤一得到的固溶态铁素体不锈钢零件置于热处理炉内进行退火处理；
固溶态铁素体不锈钢零件为低铬铁素体不锈钢、中铬铁素体不锈钢或含Mo铁素体不锈钢时，退火温度为750～850℃，保温时间0.5～2h；
固溶态铁素体不锈钢零件为超纯铁素体不锈钢时，退火温度为850～920℃；保温时间0.5～2h；
步骤三、低温热扩渗处理
将步骤二得到的退火处理后铁素体不锈钢零件依次经除油、除垢、干燥后，进行低温热扩渗处理；低温热扩渗处理能够在铁素体不锈钢表面获得厚度为5～80μm，硬度可达1000～1500HV的耐磨且耐蚀的改性层；
所述低温热扩渗处理工艺为：低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗、低温渗碳。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式首先采用优化的固溶+退火热处理工艺，针对不同的铁素体不锈钢类型采用不同的固溶温度，获得无σ析出相、晶粒大小均匀的固溶态组织；得到无脆性以及无晶间腐蚀倾向的铁素体不锈钢；然后选用不同的退火温度，获得无σ析出相、组织均匀化的退火态组织，为低温热扩渗做好组织准备；此后，采用低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗、低温渗碳处理，所选的热处理工艺和低温热扩渗工艺分别有效地消除了铁素体不锈钢中的σ相、规避了敏化温度、避免了475℃脆性和高温脆性，在铁素体不锈钢表面制备出较厚的耐磨且耐蚀的低温热扩渗改性层；低温渗碳时改性层中主要为含碳“膨胀”α相，低温渗氮时改性层中主要为含氮“膨胀”α相，低温氮碳共渗和低温碳氮共渗时改性层中为含氮碳“膨胀”α相。
低温热扩渗改性层能够在提高铁素体不锈钢硬度和耐磨性的同时，提升铁素体不锈钢的耐蚀性，从而全面有效提高铁素体不锈钢整体性能和使用寿命。
2、本实施方式与已有低温处理工艺相比，所获得改性层厚度深、速度快、渗层组织均匀。
3、本实施方式中利用低温热扩渗的方法对铁素体不锈钢进行改性，整个过程设备要求低、工艺简单、处理温度低、能耗低。
4、本实施方式有效解决了目前铁素体不锈钢表面改性中存在的设备要求高、加工难度大、成本高，改性层浅等问题，本实施方式处理后的铁素体不锈钢不存在耐磨性不足或者耐磨性提高但耐腐蚀性下降等问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一固溶处理的升温速率为0.5-1℃/min，冷却方式为水冷或油冷。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二退火处理的升温速率为0.5-1℃/min，冷却方式为空冷或炉冷。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中，低温渗氮包括为低温气体渗氮、低温真空渗氮或低温等离子体渗氮；低温氮碳共渗为低温气体氮碳共渗、低温真空氮碳共渗或低温等离子体氮碳共渗；低温碳氮共渗为低温气体碳氮共渗、低温真空碳氮共渗或低温等离子体碳氮共渗；低温渗碳为低温气体渗碳、低温真空渗碳或低温等离子体渗碳。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述低温气体渗氮、低温真空渗氮、低温气体氮碳共渗、低温真空氮碳共渗、低温气体碳氮共渗、低温真空碳氮共渗、低温气体渗碳或低温真空渗碳处理前，在300℃下将零件置于氯化物的气氛中加热10～40min；所述氯化物为NH4Cl。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述低温渗碳的温度为300～470℃，时间为2～24h，随炉冷却。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗的温度为300～450℃，时间为2～24h，随炉冷却。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是：低温渗氮的气氛为含氮气氛；低温氮碳共渗的气氛为含氮气氛和含碳气氛，含氮气氛的气体流量大于含碳气氛的气体流量；低温碳氮共渗的气氛为含含碳气氛和氮气氛，含碳气氛的气体流量大于含氮气氛的气体流量；低温渗碳的气氛为含碳气氛。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述含氮气氛为氨气、或氮气和氢气的混合气；所述含碳气氛为煤油蒸汽、丙酮蒸汽或甲烷气体。
实施例1：
1、将1Cr17铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1160℃，保温1h，升温速率为0.8℃/min，然后进行油冷；
2、将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，保温1h，升温速率为0.8℃/min，然后进行空冷；
3、将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温等离子体渗氮处理，低温渗氮处理温度为450℃，保温8h，冷却以后拿出样品；如图1所示，获得了均匀的改性层，处理的样品渗层厚度达到了30um。
渗氮处理以后的材料硬度达到了1300HV，未处理的铁素体不锈钢材料硬度只有350HV；如图2所示，未处理的铁素体不锈钢材料的腐蚀电位是-0.383，渗氮处理以后的材料的腐蚀电位达到了-0.324V；未处理的铁素体不锈钢材料的腐蚀电流是6.56×10-6A/cm2，渗氮处理以后的材料的腐蚀电流1.572×10-6A/cm2，未处理的铁素体不锈钢材料的是摩擦系数0.72，磨损失重0.0166g，渗氮处理以后的材料的摩擦系数达到了0.583，渗氮处理以后磨损失重0.0012g，如图3所示；经实施例处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
实施例2：
将铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1160℃，保温1h，升温速率为0.8℃/min，然后进行油冷；
将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，保温1h，升温速率为0.8℃/min，然后进行空冷；
将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温等离子体渗氮处理，低温渗氮处理温度为420℃，保温4h，冷却以后拿出样品，获得均匀的改性层；
本实施例处理的样品渗层厚度达到了15um，处理以后的硬度提升了800HV，处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
实施例3：
将铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1040℃，保温1h，升温速率为0.8℃/min，然后进行油冷；
将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，保温1h，升温速率为0.8℃/min，然后进行空冷；
将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温气体渗氮处理，低温渗氮处理温度为450℃，保温8h，冷却以后拿出样品，获得均匀的改性层；
本实施例处理的样品渗层厚度达到了25um未处理的铁素体不锈钢材料硬度只有350HV，渗氮处理以后的材料硬度达到了1100HV，处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
实施例4：
将铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1040℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行油冷；
将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行空冷；
将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温气体渗氮处理，低温渗氮处理温度为390℃，保温12h，冷却以后拿出样品，获得均匀的改性层；
本实施例处理的样品渗层厚度达到了20um未处理的铁素体不锈钢材料硬度只有350HV，渗氮处理以后的材料硬度达到了1000HV，处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
实施例5：
将铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1160℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行油冷；
将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行空冷；
将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温气体渗碳处理，低温气体渗碳处理温度为450℃，保温8h，冷却以后拿出样品，获得均匀的改性层；
本实施例处理后材料硬度提升明显，处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
实施例6：
将铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1160℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行油冷；
将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行空冷；
将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温等离子体碳氮共渗处理，低温碳氮共渗处理温度为450℃，保温8h，冷却以后拿出样品，获得均匀的改性层；
本实施例处理后材料硬度提升明显，处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
实施例7：
将铁素体不锈钢材料进行固溶，固溶温度为1040℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行油冷；
将油冷过的铁素体不锈钢材料进行退火处理，退火温度800℃，升温速率为0.8℃/min，保温1h，然后进行空冷；
将退火后的铁素体不锈钢材料进行依次经除油、除垢、干燥，将预处理好的铁素体不锈钢材料进行低温气体碳氮共渗处理，低温碳氮共渗处理温度为420℃，保温12h，冷却以后拿出样品，获得均匀的改性层；
本实施例处理后材料硬度提升明显，处理后的材料耐磨性和耐腐蚀性都有提高。
Claims (9)
1.一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法按照以下步骤进行：
步骤一、固溶处理
将铁素体不锈钢零件置于热处理炉内进行固溶处理，固溶处理温度为1020～1200℃，保温时间为0.5～2h；
步骤二、退火处理
将步骤一得到的固溶态铁素体不锈钢零件置于热处理炉内进行退火处理；
固溶态铁素体不锈钢零件为低铬铁素体不锈钢、中铬铁素体不锈钢或含Mo铁素体不锈钢时，退火温度为750～850℃，保温时间0.5～2h；
固溶态铁素体不锈钢零件为超纯铁素体不锈钢时，退火温度为850～920℃；保温时间0.5～2h；
步骤三、低温热扩渗处理
将步骤二得到的退火处理后铁素体不锈钢零件依次经除油、除垢、干燥后，进行低温热扩渗处理；低温热扩渗处理能够在铁素体不锈钢表面获得厚度为5～80μm，硬度可达1000～1500HV的耐磨且耐蚀的改性层；
所述低温热扩渗处理工艺为：低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗或低温渗碳；
所述低温渗碳的温度为300～470℃；
所述低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗的温度为300～450℃。
2.根据权利要求1所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：步骤一固溶处理的升温速率为0.5-1℃/min，冷却方式为水冷或油冷。
3.根据权利要求1所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：步骤二退火处理的升温速率为0.5-1℃/min，冷却方式为空冷或炉冷。
4.根据权利要求1所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：步骤三中，低温渗氮包括为低温气体渗氮、低温真空渗氮或低温等离子体渗氮；低温氮碳共渗为低温气体氮碳共渗、低温真空氮碳共渗或低温等离子体氮碳共渗；低温碳氮共渗为低温气体碳氮共渗、低温真空碳氮共渗或低温等离子体碳氮共渗；低温渗碳为低温气体渗碳、低温真空渗碳或低温等离子体渗碳。
5.根据权利要求4所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：所述低温气体渗氮、低温真空渗氮、低温气体氮碳共渗、低温真空氮碳共渗、低温气体碳氮共渗、低温真空碳氮共渗、低温气体渗碳或低温真空渗碳处理前，在300℃下将零件置于氯化物的气氛中加热10～40min；所述氯化物为NH4Cl。
6.根据权利要求4所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：所述低温渗碳的温度为300～470℃，时间为2～24h，随炉冷却。
7.根据权利要求4所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：所述低温渗氮、低温氮碳共渗、低温碳氮共渗的温度为300～450℃，时间为2～24h，随炉冷却。
8.根据权利要求1所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：低温渗氮的气氛为含氮气氛；低温氮碳共渗的气氛为含氮气氛和含碳气氛，含氮气氛的气体流量大于含碳气氛的气体流量；低温碳氮共渗的气氛为含含碳气氛和氮气氛，含碳气氛的气体流量大于含氮气氛的气体流量；低温渗碳的气氛为含碳气氛。
9.根据权利要求8所述的提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法，其特征在于：所述含氮气氛为氨气、或氮气和氢气的混合气；所述含碳气氛为煤油蒸汽、丙酮蒸汽或甲烷气体。
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