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保持奧氏體不銹鋼耐蝕性的滲碳工藝

發布時間:2019-10-29

奧氏體不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能,并具有良好的韌性、易加工性、焊接性及耐熱性,但缺點是硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能較低。對奧氏體不銹鋼進行滲碳處理,是一種有效的表面強化方法,可惜常規滲碳工藝對奧氏體不銹鋼耐蝕性能的損害很大。所以,開發一種不損害奧氏體不銹鋼耐蝕性的滲碳處理方法,化解奧氏體不銹鋼無法同時擁有良好的耐蝕性能和力學性能的窘境,就能極大地提高其應用范圍。 

      不銹鋼的耐蝕性能主要是因為鋼中添加了一定濃度的Cr元素。一方面,Cr在鐵基體中達到一定含量時可以使鐵的電極電位獲得一個跳躍式的升高;另一方面,Cr元素在不銹鋼表面形成的一層致密的氧化膜,對環境中的腐蝕起到了屏蔽的作用。為什么常規滲碳處理會破壞奧氏體不銹鋼的耐蝕性能?這是因為在高溫條件下,奧氏體不銹鋼中的Cr原子容易與C原子結合,生成碳化鉻并首先析出在滲碳層奧氏體晶界上,并形成網狀分布。由于Cr原子半徑較大,內部Cr很難擴散到表層貧Cr層,這樣就造成了表面局部貧鉻,不銹鋼的致密 Cr2O3氧化膜防護層也被破壞。 
      因此,在不損害奧氏體不銹鋼耐蝕性能的條件下進行滲碳處理的前提,是保證碳化物不被析出。由于鉻的碳化物是在高溫范圍的一定的溫度區間形成的,因此,要避免碳化物的形成與析出,就必須在適當低的溫度區間內進行滲碳。在這個溫度條件下,由于C 的原子半徑較小,以間隙機制擴散,滲碳后 C原子可以擴散到奧氏體不銹鋼晶格內,形成固溶體;而 Fe、Cr原子半徑較大,只能以交換機制擴散,在沒有足夠擴散激活能的條件下,Fe、Cr 原子無法移動。這樣就保證了Cr的碳化物無法形成。鉻的碳化物在550℃生成,所以奧氏體不銹鋼低溫滲碳處理將在低于550 ℃條件下進行,這樣就可以在不損害不銹鋼原有耐蝕性能的條件下提高其表面強度等性能。 
      美國Swagelok公司開發的 LTCSS ( Low temperature colossal supersaturation) 技術,目前已經成熟地投入使用。其主要工藝步驟如下:在處理前對奧氏體不銹鋼表面做預處理,稱為合金表面活化。該活化過程采用純HCl與N2混合氣體,在250℃下保溫2小時。HCl能有效去除奧氏體不銹鋼表面的氧化鉻鈍化膜組織,而添加N2的目的是為了在常壓條件下,創造一個非氧化環境,從而保證基體中的鉻原子不會再次被氧化,避免鈍化膜重新生成。然后,通過470℃下20小時的滲碳過程,可以得到約70微米深的硬化層。經過 LTCSS 工藝處理的316不銹鋼與未處理的材料相比,性能有明顯改善,表面硬度從原有的400 HV提高到1000HV;疲勞極限從200 MPa提高到325MPa;在抗腐蝕性能方面,在0.6 mol/L的NaCl 溶液中,陽極點蝕電位從 140 mV 提高到 990 mV。

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