[发明专利]一种实现奥氏体不锈钢强化和耐蚀的低温气体渗碳方法

说明书

技术领域

本发明一种实现奥氏体不锈钢强化和耐蚀的低温气体渗碳方法，属于化学热处理领域。 

背景技术

奥氏体不锈钢大量应用于化工、汽车、食品工业、药品机械、电器元件、海运及海洋构件、装饰及生活用品等领域，典型零件如水泵、齿轮、管道、阀门阀座、器皿、餐具等；在所有工业紧固件中，有一半以上是由不锈钢制成的。但奥氏体不锈钢存在一个非常明显的弱点，即表面强度不高，直接表现为硬度、抗磨损性能、抗疲劳性能低，严重影响奥氏体不锈钢的使用范围，或是大幅度降低零部件的使用寿命，因此，奥氏体不锈钢的表面强化问题，成为制约这类材料应用的瓶颈。 

目前，工业应用的奥氏体不锈钢表面强化方式主要有离子注入、表面沉积、热喷涂以及化学热处理等。这些表面强化技术都不同程度地存在着不足，如，离子注入法存在注入层浅、视觉效应及难以大规模生产等问题，表面沉积（电沉积、化学沉积、气相沉积等）和热喷涂处理存在覆层与基体之间结合力较低的问题，而且，这些方法制备的覆层无法保证完全致密，腐蚀介质一旦穿过表层渗入界面，将会造成严重的电偶腐蚀；常规化学热处理，例如渗碳方法，虽然在奥氏体不锈钢的表面强化方面有其良好的工业应用，但是因渗碳而引起奥氏体不锈钢耐蚀性下降的问题，却大大限制了渗碳方法在奥氏体不锈钢领域的应用。 

因此，自上世纪后期，世界范围的相关领域人员开始探索解决奥氏体不锈钢渗碳处理中存在的表面强度提高伴生的腐蚀性能下降这对矛盾的方法，寻求提高奥氏体不锈钢抗磨损性能和耐腐蚀性能的最佳配合处理方法。 

对普通钢铁材料而言，渗碳处理均在奥氏体区域（铁素体向奥氏体转化的温度为727℃）进行，一般渗碳温度在900℃以上，在化学热处理领域，对于较低温度下进行的渗碳处理，称之为低温渗碳 。 

上世纪七十年代，荷兰学者B.H.Kolster发现奥氏体不锈钢在较低温度下渗入碳原子不仅可以大幅度提高不锈钢的硬度，而且不会造成其耐腐蚀性能的下降。在此之后，欧美等发达国家开始了奥氏体不锈钢低温渗碳技术的研究，其工艺方法包括气体、盐浴、离子等多种方法，而真正实现工业化应用的主要是低温气体渗碳工艺。奥氏体不锈钢低温渗碳技术在实际工业应用中存在两大必须解决的问题：第一，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；其次，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，加快奥氏体不锈钢低温渗碳过程，从而提高生产效率。目前应用于奥氏体不锈钢的低温渗碳工艺方法主要有两种，一种是以日本大同北产株式会社的在N₃F气氛下加热保持后，于680℃以下温度进行渗碳处理；另外一种是以美国Swagelok公司为代表的的在250℃采用HCl预处理，升温到470℃进行渗碳处理。 

日本大同北产株式会社氟法渗碳是在350℃条件下，通过N₃F气体缓慢分解产生强氧化性氟，高效清除表面钝化膜，裸露出新鲜的表面后在680℃条件下渗碳。氟法渗碳有两个不足之处，第一，N₃F在350℃条件下分解产 生强的氧化性氟是一种剧毒、强腐蚀性气体，对人体造成伤害，因此，对车间、设备要求比较高，其次，奥氏体不锈钢在低于550℃的温度进行渗碳处理，渗入的碳原子固溶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（expanded austenite）。这种过饱和的C固溶于奥氏体基体，产生点阵畸变，大大提高了它的硬度和磨损抗力。在680℃进行渗碳处理，渗碳过程中可能会产生Cr的碳化物，降低了奥氏体不锈钢的耐蚀性。 

美国Swagelok公司开发的奥氏体不锈钢渗碳工艺是在250℃条件下通入干燥HCl气体，清除不锈钢表面钝化膜，然后在470℃的温度条件下渗碳处理。该工艺的不足之处是，采用HCl气体清除不锈钢表面钝化膜的同时，会对设备造成腐蚀破坏，减少设备的使用寿命，同时排出HCl气体也会造成对人体的伤害。 

如上所述，目前常用的两种奥氏体不锈钢低温渗碳都能高效、简便的去除奥氏体不锈钢表面钝化膜，但是采用N₃F气体对奥氏体不锈钢进行前处理，分解产生的强氧化性氟属于剧毒物质，对人体造成极大的危害，限制其应用；采用HCl气体清除不锈钢表面钝化膜，容易对设备造成较大的损坏，同时，对人体也会形成伤害。因此，这两种奥氏体不锈钢渗碳工艺都有一定的局限性，不能满足热处理产业要求高效、低成本、批量、自动化以及环境友好的要求。为此，必须开发新的奥氏体不锈钢低温渗碳的工艺，以适应飞速发展的工业需求。 

发明内容