專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼強(qiáng)化和耐蝕的低溫氣體滲碳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼強(qiáng)化和耐蝕的低溫氣體滲碳方法，屬于化學(xué)熱處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
奧氏體不銹鋼大量應(yīng)用于化工、汽車、食品工業(yè)、藥品機(jī)械、電器元件、海運(yùn)及海洋構(gòu)件、裝飾及生活用品等領(lǐng)域，典型零件如水泵、齒輪、管道、閥門閥座、器皿、餐具等；在所有工業(yè)緊固件中，有一半以上是由不銹鋼制成的。但奧氏體不銹鋼存在一個(gè)非常明顯的弱點(diǎn)，即表面強(qiáng)度不高，直接表現(xiàn)為硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能低，嚴(yán)重影響奧氏體不銹鋼的使用范圍，或是大幅度降低零部件的使用壽命，因此，奧氏體不銹鋼的表面強(qiáng)化問題，成為制約這類材料應(yīng)用的瓶頸。

目前，工業(yè)應(yīng)用的奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)化方式主要有離子注入、表面沉積、熱噴涂以及化學(xué)熱處理等。這些表面強(qiáng)化技術(shù)都不同程度地存在著不足，如，離子注入法存在注入層淺、視覺效應(yīng)及難以大規(guī)模生產(chǎn)等問題，表面沉積(電沉積、化學(xué)沉積、氣相沉積等)和熱噴涂處理存在覆層與基體之間結(jié)合力較低的問題，而且，這些方法制備的覆層無法保證完全致密，腐蝕介質(zhì)一旦穿過表層滲入界面，將會(huì)造成嚴(yán)重的電偶腐蝕；常規(guī)化學(xué)熱處理，例如滲碳方法，雖然在奧氏體不銹鋼的表面強(qiáng)化方面有其良好的工業(yè)應(yīng)用，但是因滲碳而引起奧氏體不銹鋼耐蝕性下降的問題，卻大大限制了滲碳方法在奧氏體不銹鋼領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，自上世紀(jì)后期，世界范圍的相關(guān)領(lǐng)域人員開始探索解決奧氏體不銹鋼滲碳處理中存在的表面強(qiáng)度提高伴生的腐蝕性能下降這對(duì)矛盾的方法，尋求提高奧氏體不銹鋼抗磨損性能和耐腐蝕性能的最佳配合處理方法。對(duì)普通鋼鐵材料而言，滲碳處理均在奧氏體區(qū)域(鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化的溫度為727°C )進(jìn)行，一般滲碳溫度在900°C以上，在化學(xué)熱處理領(lǐng)域，對(duì)于較低溫度下進(jìn)行的滲碳處理，稱之為低溫滲碳。上世紀(jì)七十年代，荷蘭學(xué)者B. H. Kolster發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼在較低溫度下滲入碳原子不僅可以大幅度提高不銹鋼的硬度，而且不會(huì)造成其耐腐蝕性能的下降。在此之后，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開始了奧氏體不銹鋼低溫滲碳技術(shù)的研究，其工藝方法包括氣體、鹽浴、離子等多種方法，而真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的主要是低溫氣體滲碳工藝。奧氏體不銹鋼低溫滲碳技術(shù)在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中存在兩大必須解決的問題第一，如何高效、簡(jiǎn)便地去除奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)又不影響后續(xù)加工和應(yīng)用；其次，低溫條件下碳原子在奧氏體不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)很小，必須開發(fā)實(shí)用的催滲技術(shù)，加快奧氏體不銹鋼低溫滲碳過程，從而提高生產(chǎn)效率。目前應(yīng)用于奧氏體不銹鋼的低溫滲碳工藝方法主要有兩種，一種是以日本大同北產(chǎn)株式會(huì)社的在N3F氣氛下加熱保持后，于680°C以下溫度進(jìn)行滲碳處理；另外一種是以美國(guó)Swagelok公司為代表的的在250°C采用HCl預(yù)處理，升溫到470°C進(jìn)行滲碳處理。日本大同北產(chǎn)株式會(huì)社氟法滲碳是在350V條件下，通過N3F氣體緩慢分解產(chǎn)生強(qiáng)氧化性氟，高效清除表面鈍化膜，裸露出新鮮的表面后在680°C條件下滲碳。氟法滲碳有兩個(gè)不足之處，第一，N3F在350°C條件下分解產(chǎn)生強(qiáng)的氧化性氟是一種劇毒、強(qiáng)腐蝕性氣體，對(duì)人體造成傷害，因此，對(duì)車間、設(shè)備要求比較高，其次，奧氏體不銹鋼在低于550°C的溫度進(jìn)行滲碳處理，滲入的碳原子固溶于奧氏體基體而不以碳化物形式析出，形成一種擴(kuò)張奧氏體(expanded austenite)。這種過飽和的C固溶于奧氏體基體,產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變,大大提高了它的硬度和磨損抗力。在680°C進(jìn)行滲碳處理，滲碳過程中可能會(huì)產(chǎn)生Cr的碳化物，降低了奧氏體不銹鋼的耐蝕性。美國(guó)Swagelok公司開發(fā)的奧氏體不銹鋼滲碳工藝是在250°C條件下通入干燥HCl氣體，清除不銹鋼表面鈍化膜，然后在470°C的溫度條件下滲碳處理。該工藝的不足之處是，采用HCl氣體清除不銹鋼表面鈍化膜的同時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕破壞，減少設(shè)備的使用壽命，同時(shí)排出HCl氣體也會(huì)造成對(duì)人體的傷害。如上所述，目前常用的兩種奧氏體不銹鋼低溫滲碳都能高效、簡(jiǎn)便的去除奧氏體不銹鋼表面鈍化膜，但是采用N3F氣體對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行前處理，分解產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性氟屬于劇毒物質(zhì)，對(duì)人體造成極大的危害，限制其應(yīng)用；采用HCl氣體清除不銹鋼表面鈍化 膜，容易對(duì)設(shè)備造成較大的損壞，同時(shí)，對(duì)人體也會(huì)形成傷害。因此，這兩種奧氏體不銹鋼滲碳工藝都有一定的局限性，不能滿足熱處理產(chǎn)業(yè)要求高效、低成本、批量、自動(dòng)化以及環(huán)境友好的要求。為此，必須開發(fā)新的奧氏體不銹鋼低溫滲碳的工藝，以適應(yīng)飛速發(fā)展的工業(yè)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼耐蝕和強(qiáng)化的低溫氣體滲碳方法，不僅能大幅度提高奧氏體不銹鋼的表面強(qiáng)度，而且能保持奧氏體不銹鋼良好的耐蝕性能，從而解決奧氏體不銹鋼強(qiáng)化處理中普遍存在的耐蝕性下降問題。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的—、本發(fā)明低溫氣體滲碳方法將清潔、干燥的奧氏體不銹鋼件置于裝有與奧氏體不銹鋼件質(zhì)量成比例量的聚四氟乙烯活化劑的滲碳爐中，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；通入保護(hù)性氮?dú)?，通電加熱滲碳爐至550°C，使聚四氟乙烯發(fā)生熱解，通過聚四氟乙烯的熱解產(chǎn)物活化處理爐內(nèi)奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜，從而在奧氏體不銹鋼表面形成有利于碳原子擴(kuò)散的導(dǎo)通通道；然后，抽空爐內(nèi)氣體，并在460°C 480°C，即低于鉻的碳化物形成溫度條件下進(jìn)行滲碳處理，向滲碳爐中通入CO、H2和N2的混合氣體，進(jìn)行滲碳處理，保溫48 72小時(shí)，完成滲碳處理。上述滲碳爐中聚四氟乙烯活化劑與奧氏體不銹鋼件的比例量，按質(zhì)量計(jì)為(O.I I) :100。上述滲碳處理的CO、H2和N2的混合氣體的按質(zhì)量計(jì)百分比為(10% 40%) CO + 10% + (80% 50%) N2二、實(shí)施本發(fā)明方法的工藝步驟是I、清洗試樣，對(duì)試樣進(jìn)行除油、去污處理；2、試樣稱重，將按照試樣質(zhì)量的0.1% 1%比例的聚四氟乙烯活化劑放入滲碳爐中，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；
3、通入保護(hù)性氮?dú)猓娂訜釢B碳爐至550°C，使聚四氟乙烯發(fā)生熱解，通過聚四氟乙烯的熱解產(chǎn)物活化處理爐內(nèi)奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜，保溫30min ；4、抽空爐內(nèi)氣體，并在460°C 480°C，即低于鉻的碳化物形成溫度條件下進(jìn)行滲碳處理，向滲碳爐中通入0)、4和隊(duì)的混合氣體，進(jìn)行滲碳處理，保溫48 72小時(shí)，完成滲碳處理；本發(fā)明創(chuàng)造性采用聚四氟乙烯熱解的產(chǎn)物活化奧氏體不銹鋼表面致密的鈍化膜，有效活化了奧氏體不銹鋼表面，在其表面形成有利于碳原子擴(kuò)散的導(dǎo)通通道，并在4600C 480°C，即在低于奧氏體不銹鋼中最主要的耐蝕元素鉻的碳化物形成溫度的條件下，通入(10% 40%)C0+ 10% H2 + (80% 50%)N2的混合氣體，進(jìn)行滲碳處理，其中CO的作用是在滲碳過程中提供活性碳原子，H2的作用是在滲碳的過程中保持滲碳?xì)夥帐冀K處于還原氣氛并潔凈工件表面，N2則在氣氛中起到平衡作用；擴(kuò)散進(jìn)入基體的碳原子固溶于奧氏體晶格之中而不以碳化物的形式析出，達(dá)到不損傷耐蝕性的固溶強(qiáng)化效果，從而解決目前奧氏體不銹鋼強(qiáng)化處理中普遍存在的耐蝕性下降問題。處理后，奧氏體不銹鋼表面的強(qiáng)化層厚度在15 35μπι之間，表面硬度值可達(dá)90(Tll00HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)滲碳處理的奧氏體不銹鋼 不超過300HV的硬度值，實(shí)現(xiàn)了奧氏體不銹鋼低溫滲碳強(qiáng)化并保持其優(yōu)良耐蝕性的目的，并且，本發(fā)明方法實(shí)施簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、成本低，可批量化生產(chǎn)，滿足日益發(fā)展的工程領(lǐng)域?qū)Σ讳P鋼制件的特殊需求。


圖I 304奧氏體不銹鋼低溫滲碳層金相組織圖2經(jīng)48h低溫滲碳處理的304奧氏體不銹鋼與未經(jīng)處理的試樣的極化曲線對(duì)t匕
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例和附圖給出的檢測(cè)圖片和數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明本發(fā)明方法的實(shí)施實(shí)施例I :按本發(fā)明處理方法對(duì)304奧氏體不銹鋼實(shí)施低溫滲碳處理首先將質(zhì)量為20Kg的304奧氏體不銹鋼件進(jìn)行表面除油、烘干，放入滲碳爐中，按照規(guī)定比例量稱取200g聚四氟乙烯放入滲碳爐底，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；然后通入保護(hù)性氮?dú)猓娂訜?，直到爐溫升到550°C，保溫30分鐘，聚四氟乙烯在535°C發(fā)生分解，分解的產(chǎn)物使得奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜活化；降溫到470°C，抽空爐內(nèi)氣體，向滲碳爐中通入35%C0+10%H2+55%N2混合滲碳?xì)怏w，保溫48小時(shí)取出試件，完成奧氏體不銹鋼的低溫滲碳處理。其強(qiáng)化層厚度在20 μ m左右(見圖1)，表面硬度約為1050HV ;低溫滲碳層耐蝕性較好，優(yōu)于未經(jīng)處理的奧氏體不銹鋼(極化曲線對(duì)比見圖2)。實(shí)施例2 :按本發(fā)明處理方法對(duì)316奧氏體不銹鋼實(shí)施低溫滲碳處理首先將質(zhì)量為15Kg的316奧氏體不銹鋼件進(jìn)行表面除油、烘干，放入滲碳爐中，按照規(guī)定比例量稱取102g聚四氟乙烯放入滲碳爐底，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；然后通入保護(hù)性氮?dú)?，通電加熱，直到爐溫升到550°C，保溫30分鐘，聚四氟乙烯在535°C發(fā)生分解，分解的產(chǎn)物使得奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜活化；降溫到470°C，抽空爐內(nèi)氣體，向滲碳爐中通入38%C0+10%H2+52%N2混合滲碳?xì)怏w，保溫48小時(shí)取出試件，完成奧氏體不銹鋼的低溫耐蝕滲碳處理，其強(qiáng)化層厚度為21 μ m，表面硬度約為1000HV。實(shí)施例3 :按本發(fā)明處理方法對(duì)321奧氏體不銹鋼實(shí)施低溫滲碳處理首先將質(zhì)量為ISKg的321奧氏體不銹鋼件進(jìn)行表面除油、烘干，放入滲碳爐中，按照規(guī)定比例量稱取90g聚四氟乙烯放入滲碳爐底，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；然后通入保護(hù)性氮?dú)?，通電加熱，直到爐溫升到550°C，保溫30分鐘，聚四氟乙烯在535°C發(fā)生分解，分解的產(chǎn)物使得奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜活化；降溫到470°C，抽空爐內(nèi)氣體，向滲碳爐中通入 25%C0+10%H2+65%N2混合滲碳?xì)怏w，保溫48小時(shí)取出試樣，完成了奧氏體不銹鋼的低溫滲碳處理，其強(qiáng)化層厚度約為18 μ m，表面硬度約為950HV。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼強(qiáng)化和耐蝕的低溫氣體滲碳方法，其特征在于將清潔、干燥的奧氏體不銹鋼件置于裝有與奧氏體不銹鋼件質(zhì)量成比例量的聚四氟乙烯活化劑的滲碳爐中，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；通入保護(hù)性氮?dú)猓娂訜釢B碳爐至550°c，使聚四氟乙烯發(fā)生熱解，通過聚四氟乙烯的熱解產(chǎn)物活化處理爐內(nèi)奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜，從而在奧氏體不銹鋼表面形成有利于碳原子擴(kuò)散的導(dǎo)通通道；然后，抽空爐內(nèi)氣體，并在460°C 480°C，即低于鉻的碳化物形成溫度條件下進(jìn)行滲碳處理，向滲碳爐中通入CO、H2和N2的混合氣體，進(jìn)行滲碳處理，保溫48 72小時(shí)，完成滲碳處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼強(qiáng)化和耐蝕的低溫氣體滲碳方法，其特征在于滲碳爐中聚四氟乙烯活化劑與奧氏體不銹鋼件的比例量，按質(zhì)量計(jì)為(O. Γ1)100。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼強(qiáng)化和耐蝕的低溫氣體滲碳方法，其特征在于滲碳處理的CO、H2和N2的混合氣體按質(zhì)量計(jì)百分比為(10% 40% ) CO+ 10% H2+ (80% 50%)N2。
4.實(shí)施權(quán)利要求I所述的低溫氣體滲碳方法的工藝步驟，其特征在于是 ①清洗試樣，對(duì)試樣進(jìn)行除油、去污處理； ②試樣稱重，并將按照試樣質(zhì)量的0.1% 1%比例的聚四氟乙烯活化劑放入滲碳爐中，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋； ③通入保護(hù)性氮?dú)?，通電加熱滲碳爐至550°c，使聚四氟乙烯發(fā)生熱解，通過聚四氟乙烯的熱解產(chǎn)物活化處理爐內(nèi)奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜，保溫30min ； ④、抽空爐內(nèi)氣體，并在460°C 480°C，即低于鉻的碳化物形成溫度條件下進(jìn)行滲碳處理，向滲碳爐中通入CO、H2和N2的混合氣體，進(jìn)行滲碳處理，保溫48 72小時(shí)，完成滲碳處理。
全文摘要
本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼強(qiáng)化和耐蝕的低溫氣體滲碳方法，屬于化學(xué)熱處理領(lǐng)域，清潔、干燥的奧氏體不銹鋼件置于裝有與奧氏體不銹鋼件質(zhì)量成比例量的聚四氟乙烯活化劑的滲碳爐中，蓋嚴(yán)滲碳爐蓋；通入保護(hù)性氮?dú)猓娂訜釢B碳爐至550℃，使聚四氟乙烯發(fā)生熱解，通過聚四氟乙烯的熱解產(chǎn)物活化處理爐內(nèi)奧氏體不銹鋼表面的鈍化膜，從而在奧氏體不銹鋼表面形成有利于碳原子擴(kuò)散的導(dǎo)通通道；然后，抽空爐內(nèi)氣體，并在460℃~480℃，即低于鉻的碳化物形成溫度條件下進(jìn)行滲碳處理，向滲碳爐中通入CO、H2和N2 的混合氣體，進(jìn)行滲碳處理，保溫48~72小時(shí)，完成滲碳處理，實(shí)現(xiàn)了奧氏體不銹鋼低溫滲碳強(qiáng)化并保持其優(yōu)良耐蝕性的目的，并且，本方法實(shí)施簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。
文檔編號(hào)C23C8/22GK102828145SQ20121028334
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者潘鄰, 張良界, 李朋, 楊閩紅, 朱云峰 申請(qǐng)人:武漢材料保護(hù)研究所