304不銹鋼管高溫快速氮化組織與耐腐蝕性能的研究

 為避免鉻氮化物的析出，離子滲氮一般在低溫(<450℃)下來制備S相層。浙江至德鋼業(yè)有限公司在高溫下快速氮化獲得氮的膨脹奧氏體S相層。304不銹鋼管在高溫（530℃）下滲氮處理0～5小時。采用X射線衍射儀、掃描電鏡和顯微硬度儀等表征氮化樣品。采用陽極極化試驗研究氮化前后樣品在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能。結果表明：高溫快速氮化處理不僅提高奧氏體不銹鋼的表面硬度，而且提升了耐蝕性。

 奧氏體不銹鋼表面存在致密的鈍化層，在常規(guī)氣體氮化處理過程中，氮難于滲入奧氏體基體。需采用酸洗或拋丸等預處理措施，去除鈍化層從而實現滲氮。直流離子氮化方法處理奧氏體不銹鋼時，可通過強烈的離子轟擊與濺射將鈍化層除去，這在實際工程技術中得到廣泛應用。離子滲氮通常在低溫下進行，主要為了避免鉻的氮化物析出，在表面形成單一的S相層，在提高硬度及耐磨性的同時保證了奧氏體不銹鋼原有的耐腐蝕性。

 浙江至德鋼業(yè)有限公司總結了在350～500℃下離子氮化奧氏體不銹鋼S相的相變時間與溫度關系，并指出奧氏體不銹鋼離子滲氮處理技術的關鍵在于控制足夠的滲氮溫度或者較短的滲氮時間。低溫離子氮化工藝通常在溫度低于450℃下進行，因此需要較長時間才能獲得有足夠厚度的相強化層。一般來講，制備厚度為8～10m的單一S相改性層需要6小時以上時間。鑒于此，本試驗期望在高溫下快速氮化制備S相層，在短時間內CrN無法析出。在不影響耐蝕性能的前提下，提高滲氮速率。

一、試驗材料與方法

  材料為304不銹鋼管，選用直徑20mm的304不銹鋼管，經線切割成厚度為6mm的圓管段，然后用SiC砂紙從粗到細將試樣表面磨平，然后進行拋光。氮化處理在等離子體滲氮爐中進行，爐內安裝活性屏裝置，與電源陰極聯系。氮化加熱速度約為15～18℃/min，氮化溫度加熱到530℃需用時0.5小時。然后分別保溫氮化處理0、1、5小時，氣壓維持在450 Pa左右，研究304不銹鋼管的高溫快速氮化行為。

 用德國布魯克D8型-X射線衍射分析儀測定原始基體與不同滲氮樣品的相結構,選用CuKα（波長為0.15406nm）靶，電壓為40.0kV，電流30.0mA，掃描范圍為30°～90°，掃描步長為0.05°。采掃描電鏡觀察滲氮層的組織形貌；用顯微硬度計測量表面硬度，條件為載荷為1N，加載時間15秒。電化學腐蝕試驗采用科斯特S350型電化學工作站，腐蝕液為3.5wt%的NaCl溶液。電極體系為：參比電極選用飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲電極，掃描速率1mV/s。

二、試驗結果及討論

 1. 氮化層組織

 圖是在530℃下不同處理時間氮化試樣的斷面SEM形貌?？煽闯觯瑒偟綔兀?h）時，表面形成較薄（2.6m）的氮化層。在530℃保溫1小時，制備了厚度均勻的（約8m）的氮化層，其為無CrN析出的單一S相氮化層，具有良好的耐腐蝕性。當氮化保溫5小時后，氮化層厚度達到18微米，但伴有黑色物相析出，不再表現為單一相組織。

 2. XRD分析

 圖是基體和不同氮化試樣表面的XRD圖?？煽闯?，原始304不銹鋼管主要由奧氏體相γ（111）和γ（200）組成。經滲氮處理的試樣，在奧氏體γ（111）和γ（200）衍射峰的低角度方向都出現了新的較寬的衍射峰S（111）和S（200），其強度和位移也隨著滲氮時間的變化而改變。當保溫1 h時，圖譜主要以衍射峰S（111）和S（200）組成。當保溫時間延長為5小時，XRD圖譜主要由是CrN和馬氏體α相為主。S相是一種亞穩(wěn)態(tài)的中間相，在高溫條件下不穩(wěn)定。隨滲氮處理時間的延長，在高溫下亞穩(wěn)態(tài)的S相發(fā)生轉變：S→CrN+，有氮化析出物和缺陷出現。

 3. 硬度分析

 圖是未處理與不同滲氮樣品的顯微硬度。可看出，隨處理時間的延長，硬度不斷升高。滲氮1小時試樣的表面硬度增加到840 HV0.1，約為基體硬度的3倍多。當處理時間達到5小時，硬度達到1100HV0.1左右。硬度的升高與厚度變大有關，不再受較軟基體的影響，同時CrN的析出和表面層較高的殘余應力起到強化作用。

 4. 耐蝕性分析

 將未處理和氮化樣品進行電化學腐蝕試驗，獲得的陽極極化曲線見圖?？煽闯觯诤入x子腐蝕介質中,未處理基體存在著鈍化區(qū)（-0.4～0.2 V），在電壓超過0.25 V后，電流密度迅速升高，表現為明顯的點蝕現象。短時處理（0小時和1小時）樣品的耐蝕性能優(yōu)于原始樣品。特別是氮化1小時304不銹鋼管樣品，相比氮化0小時304不銹鋼管樣品，自腐蝕電位升高，形成了良好的鈍化區(qū)，鈍化電流低了一個數量級。同時，點蝕電位升高了0.2V。這是快速滲氮在表面制備了較厚的S相層，其耐蝕性較好，能阻礙腐蝕液尤其是氯離子的侵入。滲氮5小時304不銹鋼管樣品的耐蝕性能下降，這是因為在表層形成CrN和馬氏體α相等多種物相，異相之間形成電偶腐蝕，耐蝕性惡化。

三、結論

 1. 高溫快速氮化可有效處理304不銹鋼管，在表面制備了不同厚度和結構的氮化層，明顯提升了基體硬度。

 2. 在高溫530℃下，較短的處理時間1小時內，可制備無CrN析出的單一S相氮化層。S相處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的中間相，隨著處理時間的延長，CrN相開始析出，5小時后轉變?yōu)镃rN和馬氏體α相。

 3. 電化學腐蝕試驗表明高溫短時間(1小時內)的氮化304不銹鋼管樣品提升了在NaCl溶液中的耐點蝕性。