304奥氏体不锈钢低气压离子渗氮组织与性能研究

  奥氏体不锈钢通过表面处理能够在其表面形成一层致密的钝化膜(Cr2O3),具有良好的耐蚀性,广泛应用于医疗、食品、化工等工业领域。然而,奥氏体不锈钢的硬度以及耐磨性较差,限制了其在一些工程领域的应用。

  工程上常用氮碳共渗、QPQ、渗金属及离子渗氮等表面改性方法来提高奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性,其中离子渗氮具有渗层均匀、工艺简单、重复性好以及渗氮温度较低、无污染等优点而得到表面工程领域的广泛应用。

  研究表明,离子渗氮可显著提高不锈钢表面硬度及耐磨性。然而实际应用中,传统离子渗氮存在明显不足:工艺周期长,为获得满足性能要求的渗层厚度通常需要几十小时的处理时间,由此使离子渗氮能源消耗大,工艺成本高,设备利用率低。同时,奥氏体不锈钢在通常温度下(500℃以上)进行离子渗氮还存在因Cr的渗氮物析出而导致的耐蚀性下降等问题。为此,必须采用450℃以下低温离子渗氮以确保耐蚀性,而低温离子渗氮存在的渗速低、工艺周期长问题尤显突出。

  因此,研究在不降低奥氏体不锈钢耐蚀性基础上,具有较高效率的低温离子渗氮表面改性技术具有重要的科学研究和工程应用价值。研究人员首次探索研究低气压对304奥氏体不锈钢低温离子渗氮组织与性能的影响,发现低压能有效加速304奥氏体不锈钢低温离子渗氮渗速,采用SEM分析了改性奥氏体不锈钢截面显微组织,研究了低温低压离子渗氮后304奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性。

  实验材料为304奥氏体不锈钢,其化学成分(质量分数,%)为:0.06C,18.8Cr,8.3Ni,0.40Si,0.037P,0.003S,0.21Mo,0.31Cu,其余Fe。在LD-8CL直流等离子体渗氮炉中进行离子渗氮,氮气与氢气比例为24∶76,渗氮温度400℃,时间8h,预设定压力值分别为80、100、120和160Pa,进行低压离子渗氮。为分析比较低压对离子渗氮的影响效果,同时采用较高气压400Pa进行离子渗氮。试验结果表明:

  (1)400℃、8h对304奥氏体不锈钢进行低气压离子渗氮,渗层厚度随气压降低而增加,气压为100Pa时,渗层厚度达到最大值51.7μm。当气压降低到80Pa时,渗层厚度略微降低。

  (2)低温离子渗氮处理后,304奥氏体不锈钢表面硬度大幅度提高,在气压为100Pa时,硬度达到极大值1100HV0.01。

  (3)低温离子渗氮处理后,304奥氏体不锈钢耐磨性得到极大改善,与未经处理的304奥氏体不锈钢试样相比,其耐磨性提高了7倍左右,其中气压为80Pa和100Pa时耐磨性相对较佳。