奧氏體不銹鋼S相滲層技術(shù)的意義

  奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、優(yōu)良的韌性和可加工性能,在許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,但耐摩擦磨損性能較差、抗疲勞性能低,嚴(yán)重影響了不銹鋼零部件的使用壽命。

  試驗(yàn)證明,不銹鋼高溫滲氮后淬火,即在1050~1150℃的真空爐中使氮溶解在不銹鋼工件的表層,然后快速冷卻下來,使氮化物來不及析出,從而可在工件表面形成含氮固溶強(qiáng)化的奧氏體滲氮層。高氮表面處理后,不僅提高了奧氏體不銹鋼表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性,且心部仍保持固溶處理的組織和性能。因?yàn)檫@種滲氮層的晶格參數(shù)與γ相不同,被稱之為“S相”。在S相中,氮原子固溶于奧氏體晶格內(nèi)部,且抑制氮化鉻在晶界處析出,因此在不降低奧氏體不銹鋼耐蝕性能的前提下,顯著提高了奧氏體不銹鋼的表面硬度。由此發(fā)展起來的不銹鋼表面S相改性技術(shù)成為不銹鋼表面處理技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。實(shí)驗(yàn)證明,將含碳?xì)怏w代替氮?dú)庖腚x子處理的氣氛中,也能獲得一層類似于滲氮層的S相硬化層。

  但是,傳統(tǒng)的滲氮、滲碳技術(shù)雖然提高了不銹鋼零件表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度,但由于滲氮、滲碳溫度高,形成了氮化物和碳化物的沉淀相,犧牲了不銹鋼的耐蝕性。同時,由于不銹鋼表面形成一層致密的氧化膜,阻礙了氮、碳原子的滲入擴(kuò)散。這些因素嚴(yán)重地制約了不銹鋼滲氮、滲氮表面處理技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。

  與傳統(tǒng)滲氮、滲碳技術(shù)不同,S相滲層技術(shù)是一種低溫滲氮/滲碳技術(shù)。例如低溫離子滲氮技術(shù),將滲氮溫度降低至450℃以下,滲入的氮形成固溶奧氏體,顯著提高了奧氏體不銹鋼的硬度,同時抑制滲氮過程中鉻的氮化物析出,保持了不銹鋼的耐腐蝕性能。低溫離子滲氮技術(shù),可獲得幾十微米的單相含氮膨脹奧氏體相。低溫離子滲碳具有滲層均勻、韌性好、承載能力強(qiáng)、硬度梯度平緩、滲碳效率高等優(yōu)點(diǎn)。另據(jù)報道,通過對不銹鋼表面進(jìn)行氟化處理,消除表面的氧化膜,同時在試樣表面形成氟化膜,這種氟化膜提高了活性氮的吸附和擴(kuò)散滲入,可使不銹鋼的滲氮溫度降低到300℃。

  滲氮奧氏體不銹鋼可提供一個較強(qiáng)的亞表層來支承干滑動時所形成的氧化膜,比未滲氮試樣能承受更高負(fù)荷。滲氮鋼的磨損是氧化磨損機(jī)制,而未滲氮鋼的磨損則是粘著和塑性變形機(jī)制。

  奧氏體不銹鋼通過低溫滲氮/滲碳,獲得含氮/碳固溶飽和的擴(kuò)散層,即S相滲層,不僅提高了不銹鋼表面硬度,而且還提高了不銹鋼的耐蝕性。例如,AISI304不銹鋼在400℃、4h離子滲氮后,在5.5%NaCl溶液中的腐蝕電位提高了三倍,在3.5%的NaCl溶液中S相耐蝕性可以提高75%。低溫滲氮提高了不銹鋼的耐蝕性,因此延長了不銹鋼零件的使用壽命,例如核反應(yīng)堆奧氏體不銹鋼控制棒處理后壽命由一年延長至三年以上。