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1、奥氏体不锈钢低温渗碳技术的研究现状及应用前景第30卷第42009年8月热处理技术与装备RECHULIJISH1jYUZHUANGBEIV01.3O.No.4Aug,2009?表面改性?奥氏体不锈钢低温渗碳技术的研究现状及应用前景吴金金,张良界,潘邻,吕忠洲,杨闽红(武汉材料保护研究所,湖北武汉430030)摘要:奥氏体不锈钢是一种应用非常广泛的金属耐蚀材料,但强度较低,影响了它的使用寿命.长期以来,其表面强化与耐蚀性能之间的矛盾一直未能根本解决.本文综合评述了一种近年来发展较快的不影响奥氏体不锈钢耐蚀性能的表面强化工艺一一奥氏体不锈钢低温渗碳技术,论述了该技术的工艺特点,探讨了该技术的强化原理
2、,并预测了它的发展前景.关键词:奥氏体不锈钢;低温渗碳,评述中图分类号:TG156.8l文献标识码:A文章编号:16734971(2009)o40022一O5ResearchProgressandAppliedProspectofLowTemperatureCarburidingforAusteniteStainlessSteelsWUJin-jin,ZHANGLiang-jie,PANLin,LUZhongzhou,YANGMinhong(WuhanResearchInstituteofMaterialsProtection,WuhanHubei430030,China)Abstract:A
3、ustenitestainlesssteelsarewidelyappliedasametalcorrosionresistancematerial,butthepropertiesoflowsurfacestrengthinfluenceitsservicelife.ContradictionbetweensurfaceenhancementandcorrosionresistancehadntbeenthoroughlysolvedSOfar.Inthispaperafastdevelopingmethodismadecomprehensivereviewforhardeningsurfa
4、ceofaustenitestainlesssteelswithoutanyreductionofcorrosionresistance,whichiscalledaustenitestainlesssteelslowtemperaturecarburizing.Theprocessfeaturesisdescribed,thestrengtheningmechanismdiscussedanditsprospectisforecastedalso.Keywords:austenitestainlesssteels;lowtemperaturecarburizing;review奥氏体不锈钢因
5、其良好的耐蚀性,优良的的韧性和可加工性能,被广泛应用于核工业,机械工业,化学工业,食品制造业,制药和生物工程等领域,其产量和用量占不锈钢总量的70%以上.但是奥氏体不锈钢存在一个非常明显的缺点,就是这种材料的表面硬度不高,直接表现为硬度,抗磨损性能,抗疲劳性能低,严重影响了奥氏体不锈钢的使用范围和使用寿命.与其他表面强化技术相比,化学热处理是种综合优势明显,可以有效提高不锈钢表面硬度的方法.但是在本世纪以前,化学热处理采用的基本都是800oC以上的渗碳或500oC以上的渗氮工艺【2J.用化学热处理方法处理过的奥氏体不锈钢材料,表面硬度有了显着的提高,但是材料的耐蚀性却产生了明显的下降.因此,寻
6、找一种提高奥氏体不锈钢材料表面硬度,并且不降低它的耐蚀性的方法成为众多热处理工作者多年来一直努力的目标.上世纪末期出现的低温渗碳技术,较好地解决了奥氏体不锈钢表面硬度与耐蚀性兼顾的问题,成为突破奥氏体不锈钢使用局限的关键.收稿日期:20090713作者简介:吴金金(1984一).男,在读硕士,主要从事金属材料及热处理研究.联系电话:13517106468;Email:kickerl1256163.corn第4ll吴金金等:奥氏体不锈钢低温渗碳技术的研究现状及应用前景?23?1奥氏体不锈钢耐腐蚀机制及其低温渗碳原理不锈钢的耐腐蚀性能主要是闪为在钢中添加了较高含量的Cr元素,Cr元素易于氧化.能在
7、不锈钢的表面迅速形成致密的Cr20,氧化膜,使钢的电极电位在氧化性介质中的耐蚀能力发生突变性提高.表面覆盖的这一层极薄的(约1m)致密钝化膜将腐蚀介质与钢隔离,形成不锈钢防护的基本屏障,如果钝化膜不完整或有缺陷或被破坏,不锈钢仍会被腐蚀引.经过研究发现,在高温条件下进行的渗碳热处理,渗层有cr的碳化物生成I,造成基体贫Cr现象,Cr含量不足,难以形成足够致密的氧化膜来隔绝空气保护钢材,使得表面极易被腐蚀;同时,从基体析出的碳化物,弥散分布于基体之上,与钢基体形成微电池,产生电偶腐蚀,不锈钢的耐蚀性能进一步下降.低温渗碳技术的研究只有十余年的历史.它的原理就是通过低温渗碳处理,使渗入的c原子固溶
8、于奥氏体基体而不以碳化物形式析出,形成一种扩张奥氏体(expandedaustenite).因为这种扩张奥氏体的点阵常数比奥氏体基体大得多,所以被Ichii命名为s相j.过饱和的c固溶体于奥氏体基体,使原来的奥氏体面心立方晶格(fcc)点阵常数增大而产生的点阵畸变,转变成面心四方晶体结构(fct),从而大大提高了它的硬度和磨损抗力J.但是s相是一种不稳定的组织,在一定的温度之上,S相将发生分解,由面心四方结构恢复到原来稳定的面心立方结构,同时析出黑色cr的碳化物l4.5J.通常我们认为cr的碳化物的生成温度为550c【=,氮化物生成的温度为450J.所谓的奥氏体不锈钢低温渗碳处理,一般就是在低
9、于550的温度下.进行的渗碳热处理.2奥氏体不锈钢低温渗碳技术奥氏体不锈钢的低温渗碳技术在近十年的时间里取得了一定的发展.有的工艺已经申请专利,投人生产.现阶段奥氏体不锈钢的低温渗碳和渗氮技术主要有荷兰的Kolsterising技术(该技术已转让于Bodyeote公司),日本Airwater公司的NvPionite技术,英国伯明翰大学的LNPC技术,以及日本的Palsonite技术和法国Nitrunid公司的Nivox4技术等等(见表1).这些技术中,关于Palsonite与Nivox4的研究报道并不多见.从表1可知,目前应用于奥氏体不锈钢的低温渗碳工艺方法主要有三种,即离子法,常规气体渗碳法
10、和盐浴法.表1最近开发的低温渗碳渗氮技术列表Table1Listoflowtemperaturecarbufizingandnitridingtechnologydevelopedrecently3奥氏体不锈钢离子低温渗碳技术奥氏体不锈钢进行渗碳,渗氮处理,最大的障碍是存在于不锈钢表面的致密的钝化膜阻碍了碳,氮原子向内扩散,去除这种钝化膜并防止其再次被氧化的技术比较复杂,因而影响了奥氏体不锈钢进行渗碳,渗氮技术的应用.在等离子化学热处理时,利用真空条件下的阴极溅射效应,可有效地清除钝化膜,并可防止重新氧化,因此,在离子渗氮炉中实现奥氏体不锈钢的低温渗碳(氮)处理,是一个比较有效的方法.近年来,
11、有不少学者在开展这方面的工作,取得了较好的效果.赵程等人运用伯明翰大学的低温离子渗碳(LT-PC)和低温离子渗氮(LTPN)技术,进行了碳氮复合渗处理.奥氏体不锈钢材料表面要在1200号水砂纸磨光,再进行低温离子渗碳渗氮处理.处理参数见表2t】经碳氮复合处理后的3l6奥氏体不锈钢表面硬度达到900HV以上.单一的低温离子渗氮的渗层.24?热处理技术t=j装备第30卷表2奥氏体不锈钢的离子渗碳,离子渗氮和离子渗碳渗氮复合处理工艺参数Table2Fhetechnic,dparameteraboutplasmacarbufizing,plasmanitridingandplasmanitr,arbu
12、rizedforaustenitestainlesssteel最高硬度可以达到1400HV以上,但是渗层较薄,易破坏;而经复合处理后,虽然渗层硬度有所下降,但其厚度增加,实际应用效果更好.采用碳氮复合渗技术处理的渗层内氮和碳的分布既具有离子渗氮层的特征(渗层表面氮的浓度梯度高而且陡降),又具有离子渗碳层的特征(深的渗碳层厚度)6J,如图1,图2所示.采用碳氮复合处理技术后,渗氮层与渗碳层中间的过渡处的硬度高达700HV以上,而且渗碳硬化层也较厚,使渗层的硬度可以在一定的水平内继续延续.因此,这种硬度梯度结构比起单纯离子渗氮层从表面极高的硬度(1300HV)陡降至较软的基体(300HV)硬度梯度
13、要好得多.M.Tsujikawa等人运用离子法进行先渗碳后渗氮的表面强化试验,发现后渗入的氮层将先渗入的碳层推到了更深的位置.这个复合处理可以获得较罨越嚏僻O5O40302010渗碳渗氮复合渗碳渗氮图1316奥氏体不锈钢表面硬化层的表面硬度Fig.1Thesurfacehardnessofhardeninglayerfor316austenitestainles8steel2h4h8h%日-_!5岫ll圈麓瑟翻曩礴臻豳豳鳃磷鳃瀚溺翳疆圈啊$搿S搿黼黼#稿雌撼碟漆辩瓣麟轴嚣穗瓤强00罄薹鬟l誊警雾精舄一一l304l圆豳露豳潮濯霆豳蕊豳Il船赫蚺,蕊*骥誉I熬誓毒强嚣黟然一I笾筏一l316麓-臻冀
14、孵瓣垂蒜嚣警鼍虢囊馨图3304与316奥氏体不锈钢的渗碳效果图Fig.3Thecrosssectionviewsofearburized304and316austenitestainlesssteel第4期吴金金等:奥氏体不锈钢低温渗碳技术的研究现状及应用前景-25?深的渗层厚度,并且在盐水浸泡实验中表现出色的耐蚀性j,说明复合渗碳渗氮法没有破坏奥氏体不锈钢原有的优异的耐蚀性.M.Tsujikawa还发现在渗碳层的厚度,3l6奥氏体不锈钢比304奥氏体不锈钢效果更好(如图3所示).同样,316不锈钢的硬度也高于304不锈钢的.M.Tsujikawa等人认为,出现上述结果的原因在于Mo元素的作用
15、,它起到了扩张了晶格的作用.晶格的扩张为碳原子提供了扩散路径,增加了碳在含有Mo元素的316奥氏体不锈钢中的扩散速度,促使碳的高度过饱和固溶体形成J.虽然采用等离子法进行奥氏体不锈钢的低温渗碳处理具有一定的优越性,但其复杂的设备与工艺条件,以及等离子处理存在的空心阴极效应和屏蔽效应等因素,限制了这种方法在实际生产中的大量应用.4奥氏体不锈钢低温常规渗碳技术在空气中,奥氏体不锈钢表面致密的Cr20钝化层保护了不锈钢内部不被腐蚀,而在渗碳过程中由于它致密的特性,阻碍了碳的渗入,严重影响渗碳效果.Kolsterising最初起源于荷兰,2003年被介绍到北美】引.Kolsterising工艺是在气相
16、中完成的,在550oC的温度下,通过一定时间的渗碳处理,可以获得具有实用价值的表面碳扩散强化层.该技术的关键,是通过特殊的预处理方法去除奥氏体不锈钢表面的钝化层,并保证在整个渗碳处理过程中,其表面不生成新的钝化层.经Kolsterising处理的奥氏体不锈钢,在表面强度,摩擦磨损性能,疲劳寿命,耐孔蚀性以及耐应力腐蚀开裂性能等方面均有明显的提高,其中特别值得关注的是材料表面硬度显着增加,05l01520253035至表面距离,m图4Kolsterising处理后的奥氏体不锈钢硬化层33m与22la.m的硬度曲线】Fig.4HardnessCuleL9】ofaustenitestainlesss
17、teelforhardeninglayer33ta,mand221J,mafterKolsterisingtreatment达到1000l200HV0.05(相当于7174HRC)(如图4所示),有效地改善了耐磨损性能,抗疲劳性能和耐应力腐蚀性能,而常规耐蚀性能没有下降.现阶段商业化的Kolsterising工艺主要有三种,分别是硬化层深度为22m,33m以及一种特殊的双联工艺引.这种双联工艺主要是针对非奥氏体不锈钢材料,通过将非奥氏体不锈钢加热到共析温度以上使得非奥氏体转变为奥氏体,再淬火,形成常温下的奥氏体结构.奥氏体化的不锈钢材料运用Kolsterising技术可以将表面硬度提高,并且不
18、影响原有的耐蚀性.Kolsterising技术已经申请专利,并且正式投入生产.日本的AirWater公司研发的Pionite技术,采用的方法为在低于773K的温度下,用CO和H的混合气体作为介质对材料进行渗碳.在这个过程中碳渗人材料基体,增加了材料的硬度u.(a)未处理的(b)15h图5316不锈钢经不同处理的金相组织Fig.5Mierostruetureof316stainlesssteelafterdifferenttreatments(a)untreated(b)15h(c)35h?26?热处理技术与装备第3O卷K.Tokaji等对316奥氏体不锈钢采用先在1353K的温度下保温1h后油
19、冷,再用Pionite工艺处理.对处理过的316奥氏体不锈钢进行性能测试,发现其强化效果比较显着.经15h处理的316不锈钢的表面可获得20Ixm厚度的渗层,硬度达到800HV;经35h处理的3l6不锈钢渗层厚度达到40tun,表面硬度为1000HV.经Pionite工艺处理,材料的拉伸强度和延展性较渗碳前分别有轻微的增加和下降,但316不锈钢在空气中的疲劳强度比处理前有了很大提高;在3%NaCI溶液中,未处理材料的疲劳强度与空气中相比发生了显着的下降,而处理过的材料没有下降,表现出极好的耐腐蚀性能.不同状态的金相组织见图5.美国的Swagelok公司发明了一种低温气体渗碳方法,在奥氏体不锈钢
20、硬化方面取得一定成果,并且申请了专利.Swagelok公司的这一技术采用N,CO和H,的混合气体,在465oC与475oC的温度之间,于标准大气压下进行渗碳,可以得到满意的表面强化层.F.Ernst等人对Swagelok公司这一技术处理过的316奥氏体不锈钢进行检测分析,发现经某种参数处理的奥氏体不锈钢,表面的碳原子分数从原来的<0.015%上升到12%,碳含量升高到原含量的800倍.这一技术提高了奥氏体材料的表面硬度,使其硬度从200HV提高到表面的1000HV,在表面之下40nm处,硬度仍有800HV,硬度分布如图6所示.12oo100oI.I-摹?亏lIreO5Ol001502oo
21、25O3o0深度/run图6Swagelok公司低温气体渗碳工艺处理的316不锈钢的硬度与深度的关系Fjg.6Therelationbeteenhardnessanddepthof316stainlesssleelafterlowtemperdmcarbufizJnginSwagelokeompnay奥氏体不锈钢进行低温渗碳处理,能有效地阻止碳化铬的形成,因此,经低温渗碳处理的奥氏体不锈钢,其耐蚀性能不仅没有下降,而且还略有提高u.关于奥氏体不锈钢盐浴渗碳技术的报道不多见,只有Swagelok公司研究了一种盐浴工艺,将不锈钢放人含有碱金属,电石或氰化物的熔融液中,在537以下的温度进行渗碳【l
22、5J,达到低温渗碳的目的.5奥氏体不锈钢低温渗碳技术存在的问题和应用前景虽然,一些发达国家学者在奥氏体不锈钢低温渗碳理论研究上已做了大量工作,处理效果十分诱人.近几年,我国学者也开始了这一领域的研究工作,但总的来讲,在实际工业应用中仍然存在一些必须解决的问题,主要集中在两个方面:一是如何高效,简便地去除奥氏体不锈钢表面的钝化膜,有利于大规模工业化生产,同时又不影响后续加工和应用;二是低温条件下,碳原子在奥氏体不锈钢中的扩散系数很小,必须开发实用的催渗技术,加快奥氏体不锈钢的低温渗碳过程,从而提高生产效率.这些问题如果能够得到较好地解决,奥氏体不锈钢低温渗碳技术将会得到更大发展.今后,我们期待更
23、多更好的方法应用到奥氏体不锈钢表面渗碳技术中.由于奥氏体不锈钢本身具有低磁性,耐腐蚀,易于加工等特性,随着国民经济发展和日常生活水平的不断提高,其用量也将不断增加,但受资源,环境和效益的制约,它的表面强度较低的问题将会日益突出.采用低温渗碳,可极大地提高奥氏体不锈钢表面强度而不损失优良的耐蚀性能,这将实现奥氏体不锈钢应用质的飞跃.可以预期,由于改善奥氏体不锈钢表面性能,它将在机械,船舶,汽车,化工,航空以及日常生活等各个方面发挥更大的作用,奥氏体不锈钢低温渗碳技术的应用前景十分广阔.参考文献1张少堂.钢铁材料手册第五卷M】.北京:中国标准出版社,2001:59.2机械工业职业技能鉴定指导中心.
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