奧氏體不銹鋼低溫硬化處理方法有哪些

  近半個世紀(jì)，人們通過多種方式來改善不銹鋼的表面性能，現(xiàn)代表面工程技術(shù)，例如化學(xué)鍍、電鍍等方式，由于這種表面處理方式本身的關(guān)系，鍍層和基體的結(jié)合力較差，不能適用于不銹鋼。奧氏體不銹鋼室溫狀態(tài)下以奧氏體組織狀態(tài)存在，用傳統(tǒng)的淬火、調(diào)質(zhì)等熱處理工藝不能進(jìn)行硬化處理。可以有效提高奧氏體不銹鋼表面硬度和耐磨性的方法是對奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面化學(xué)熱處理。由于不銹鋼本身表面的鈍化膜，利用熱擴(kuò)滲方法，例如液體熱擴(kuò)滲、氣體熱擴(kuò)滲、固體熱擴(kuò)滲，進(jìn)行硬化處理時，鈍化膜對擴(kuò)滲活性原子有阻礙作用，所以不銹鋼進(jìn)行硬化處理之前要進(jìn)行去鈍處理。合金元素碳、氮都可以擴(kuò)大奧氏體區(qū)，兩者以間隙原子存在于奧氏體不銹鋼中使不銹鋼得到強(qiáng)化，氮元素還可以提高不銹鋼的耐蝕性能。氮在鋼中的溶解量要比碳要多，滲氮處理能避免鐵素體相的出現(xiàn)，也可減少奧氏體晶界上析出脆性第二相，提高材料的使用性能。利用離子法對不銹鋼進(jìn)行不銹鋼表面處理，可以避免表面鈍化膜的阻礙，獲得表面硬化層。

  奧氏體不銹鋼表面硬化處理的技術(shù)主要有：奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮技術(shù)、奧氏體不銹鋼固溶滲氮技術(shù)、奧氏體不銹鋼低溫離子氮碳共滲技術(shù)和奧氏體不銹鋼低溫離子滲碳技術(shù)。

一、奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮技術(shù)

  傳統(tǒng)方法對不銹鋼進(jìn)行表面處理一般采用氣體或離子滲氮的方式，溫度范圍在500～800℃，可獲得200μm厚度的滲氮層，硬度可達(dá)到1400HV。滲氮后，不銹鋼的表面耐磨性能得到明顯提高，但耐蝕性下降。20世紀(jì)80年代末，浙江至德鋼業(yè)有限公司對滲氮工藝進(jìn)行了研究并加以改進(jìn)，獲得了新的不銹鋼表面滲氮工藝。該工藝的重點(diǎn)就是要把滲氮溫度降低至450℃以下，這就可以抑制過程中鉻的氮化物的析出，獲得S相單相硬化層。S相的硬度也可達(dá)到傳統(tǒng)滲氮層所具有的硬度，而且不降低不銹鋼表面的耐蝕性能。奧氏體不銹鋼表面的硬度和耐蝕性能得到了提高，同時不銹鋼本身的耐蝕性能得到了保證。

  S相組織作為一種亞穩(wěn)態(tài)的中間相，高溫下穩(wěn)定性較差。在滲氮過程中溫度和時間的增加都會導(dǎo)致S相的分解，會有鉻的氮化物析出。S相單相硬化層在低溫、短時和低氮勢條件下比較容易獲得。當(dāng)滲氮過程中溫度過高（超過450℃），或處理時間過長（420℃下超過12小時），滲層內(nèi)就會有鉻的氮化物析出，使基體中自由鉻含量減少，缺陷也隨之出現(xiàn)。盡管滲層硬度有多提高，但滲層的耐蝕性能降低，經(jīng)過浸蝕處理后用顯微鏡觀察視野中會有點(diǎn)狀黑色相出現(xiàn)。溫度繼續(xù)增高，或者處理時間繼續(xù)延長，直至S相完全分解，滲層的主要組成成分為CrN和γ相，滲層硬度仍舊提高，但耐蝕性能惡化。奧氏體不銹鋼表面硬化處理在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，一些新型表面處理技術(shù)的出現(xiàn)改善了這個問題。

二、奧氏體不銹鋼固溶滲氮技術(shù)

  為提高奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能，分解不銹鋼冷加工過程中產(chǎn)生的碳化物和σ相，同時消除加工硬化現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼在焊接或者其他加工成型后需要進(jìn)行固溶熱處理。

  1993年，在熱處理學(xué)術(shù)研討會上浙江至德鋼業(yè)有限公司研發(fā)出一種化學(xué)熱處理工藝，作為不銹鋼表面改性新技術(shù)。此工藝在1050~1150℃的真空爐中，使氮溶解在不銹鋼的表層，然后快冷使氮化物不能析出，在不銹鋼表面形成滲氮層。經(jīng)固溶滲氮處理后提高了奧氏體不銹鋼表面的硬度、硬度和耐磨性，同時耐腐蝕性能也得到相應(yīng)提高。奧氏體不銹鋼經(jīng)過固溶滲氮處理后，得到了含氮奧氏體，零件的耐腐蝕性能提高，同時心部仍保持之前的組織和性能。固溶滲氮處理是固溶處理和滲氮處理兩者的結(jié)合，將材料心部和表層組織和性能重新組合，不銹鋼管在腐蝕性氣氛下，也可有較高的抗腐蝕能力。

三、奧氏體不銹鋼低溫離子氮碳共滲技術(shù)

  近兩年，浙江至德鋼業(yè)有限公司在低溫離子滲碳和低溫滲氮的基礎(chǔ)上，對奧氏體不銹鋼的離子氮碳共滲處理進(jìn)行研究，與其他方法比較，發(fā)現(xiàn)離子氮碳共滲同樣可以獲得高硬度、高滲層厚度和合理硬度梯度的S相單相表面硬化層。

  經(jīng)低溫離子氮碳共滲表面硬化處理的奧氏體不銹鋼表面形成成分均勻的硬化層，既有離子滲氮處理后的高硬度（＞1200HV)，又有離子滲碳后相同的厚度，但硬化層硬度梯度與滲氮層和滲碳層相比有一個平緩的臺階過渡。由于過渡處的硬度在700HV以上，且臺階后硬化層較厚，因而滲層的硬度可以在一個高水平內(nèi)延續(xù)。這種硬度梯度結(jié)構(gòu)比單純離子滲氮層從表面極高的硬度陡降到較軟的基體硬度要好得多，雖然硬度相比離子滲氮層的表面硬度略低，但遠(yuǎn)大于離子滲碳的表面硬度，耐磨性能較之也有較大幅度的提高。

  氮碳共滲處理后所得滲層的硬度和厚度變化和氮和碳的分布有關(guān)。滲層表面的的高氮量保證了滲層表面的高硬度；滲層內(nèi)部厚的滲碳層又起到支撐的作用，形成一種合理的硬度梯度。奧氏體不銹鋼經(jīng)過氮碳共滲硬化處理后，表面的組織結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生變化，從而材料的力學(xué)性能有了很大提高。過飽和的氮、碳固溶體引起奧氏體晶格畸變，位錯密度增加，所以滲層硬度和耐磨性得到極大地提高。圖所示為經(jīng)離子硬化處理后的產(chǎn)品及金相照片，圖為不同離子硬化處理后硬度及耐磨性的對比，可以看出經(jīng)硬化處理后的不銹鋼管硬度和耐磨性得到了顯著的提高。