不锈钢表面离子渗氮(碳)技术

来源:金属热处理工艺学作者:袁凤松

    不锈钢应用范围十分广泛。面对当前资源严重短缺的现状,采用各种强化措施来改善已开发不锈钢钢种的性能,进一步发挥各种不锈钢的优势,拓展其应用范围,是一项迫切而意义深远的工作。表面改性处理是低成本而有效提高材料表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能的重要方法。 

  由于不锈钢表面氧化膜的存在,使一般的气体渗氮很难进行。虽然表面活化处理后的不锈钢可以进行气体渗氮处理,但是工序复杂,不易控制,所以人们逐渐采用了一些新的渗氮工艺技术。离子渗氮技术就是其中应用最广的一种。常规离子渗氮是在 500~560℃温度下的N2和H2或NH3混合气氛中进行的。由于离子渗氮能直接去除不锈钢表面的钝化膜,并易于实现局部渗氮和较容易控制氮势,在不锈钢表面强化方面显示出较大优越性。对一些马氏体不锈钢进行离子渗氮的结果表明,离子渗氮可有效地在不锈钢表面形成一定厚度的渗氮层,而不需要进行去除氧化膜的预处理。渗氮后的不锈钢硬度和耐磨性均有显著提高。但是常规的离子渗氮容易在不锈钢表面形成CrN而使基体出现贫铬,进而降低不锈钢的耐蚀性。所以,尽管经离子渗氮处理后不锈钢的表面硬度、耐磨性和抗擦伤、抗胶合能力有大幅度提高,但若处理不当,容易发生表层剥落、硬化层(渗氮层) 厚度不均匀以及耐腐蚀性大幅下降等质量问题。

  为了避免高温下形成CrN,损害不锈钢固有的耐蚀性,必须发展低温处理方法。上世纪80年代研发了等离子体低温渗氮研究,很好地解决了奥氏体不锈钢经处理后耐蚀性降低的技术难题。该技术的关键是在低温下(350~450℃) 进行,以避免形成CrN而使基体贫铬后耐蚀性下降。

  尽管低温渗氮技术克服了渗氮后不锈钢耐蚀性下降的问题,但离子渗氮也有其本身的缺点,如边界效应、空心阴极效应,以及工件温度不均等。为了克服离子渗氮的缺点,人们开发了活化屏离子渗氮技术。在活化屏渗氮技术中,工件处于悬浮状态,离子轰击金属屏而不是工件本身。与常规离子渗氮相比,该技术可以处理不同形状的工件,并能消除边缘效应以及空心阴极效应,还能方便地测量工件的温度。对 AISI 420马氏体不锈钢的活化屏渗氮行为的研究表明,新工艺不仅消除了边界效应,而且具有更高的渗氮效率,同时还可以完全消除由边界效应引起的腐蚀环。

  与渗氮相似,对不锈钢进行渗碳处理也可分为气体渗碳和离子渗碳两大类型。传统气体渗碳温度很高,一般在800~1000℃,所以对不锈钢很少使用,主要采用低温离子渗碳技术。低温离子渗碳处理通常在550℃以下进行,所用气体为H2和CH4或C2H2的混合气体。(中国联合钢铁网)

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