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青岛科技人学研究生学位论文 奥氏体不锈钢低温离子 渗碳表面硬化处理设备及工艺研究 摘要 低温离子渗碳技术可以在不降低奥氏体不锈钢耐蚀性能的前提下对其进行 表面硬化处理，提高不锈钢表面的硬度和耐磨性能。由于奥氏体不锈钢低温离 子渗碳技术对温度均匀性要求较高，而现有市场上的热处理设备不能够满足其 工艺要求，本课题首先设计并研制了一套适合用于奥氏体不锈铡低温离子渗碳 的装置，用a u t o c a d 对其炉体的丰体结构、冷却系统、炉体零部件以及液压升 降系统进行设计和校核，从而为低温离子渗碳处理技术的推广应用奠定了基础。 本文利用低温离子渗碳技术，对三种典型的奥氏体不锈钢( a i s i3 1 6 l 、a i s i 3 2 1 、a i s i3 0 4 ) 进行表面硬化处理。借助于一些先进的分析仪器和分析方法， 如场发射扫描电镜( s e m ) 、x 射线衍射仪( x i m ) 、金相显徼镜( o m ) 、显微 硬度计和电化学分析仪等，对渗碳层进行测试和分析。探讨渗碳温度、渗碳时 间以及基体材料成分等因素对渗碳层相结构、金相组织、显微硬度和耐蚀性能 等的影响。 实验结果表明，渗碳温度、渗碳时问和基体材料成分对渗碳层的组织和性 能都有重要的影响。在低温、短时间的处理条件下，可获得无碳化物析出的丫c 相渗碳层，随着渗碳温度的提高或处理时间的延长，渗碳层厚度增加，但渗碳 层中有碳化物析出，表面耐蚀性能有所下降；基体中含有m o 或t i 的奥氏体不 锈铡在低温渗碳时可以获得更厚和更硬的渗碳层。 本文对低温离子渗碳的机理进行了研究。结果发现，低温离子渗碳是一个 主动吸附一脱附的过程。从阴极表面溅射出的f e 原子与活性碳原子化合生成 f e x c ，已活化的试样表面主动吸附f e x c 粒子，这些粒子受到其他粒子撞击后， c 脱附出来成为渗碳的碳源并向试样内部扩散，形成相的渗碳层。 本文还对低温离子渗碳的应用进行了探索。利用低温离子渗碳技术对奥氏 体不锈钢阀门零件进行了表面硬化处理，获得了良好的渗碳硬化效果，证明了 低温离子渗碳技术在该方面的优越性。 关键词：低温离子渗碳奥氏体不锈钢表面硬化处理设备工艺应用 奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及工艺研究 s t u d yo ne q u i p m e n ta n dp r o c e sso fp l a s m a c a r b u r i z i n gs u r f a c eh a r d e n i n go fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e la tl o wt e m p e r a t u r e a b s t r a c t l o wt e m p e r a t u r ep l a s m ac a r b u r i z i n gc a nb eu s e dt oi m p r o v et h es u r f a c e h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw i t h o u td e g r a d a t i o no fi t s c o r r o s i o nr e s i s t a n c e b e c a u s eo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ll t p ct e c h n o l o g yr e q u e s t h i g h e rt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y , b u tt h eh e a tt r e a t m e n te q u i p m e n ti nt h ee x i s t i n g m a r k e tc a n n o ts a t i s f yi t s t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t t h i ss u b j e c td e s i g n e da n d d e v e l o p e das e ts u i t a b l yt ou s ef o ra u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e ll t p cd e v i c e t h eb o d y s t r u c t u r e ，c o o l i n gs y s t e m ，t h ef u r n a c ep a r t sa n dt h eh y d r a u l i cs y s t e mp a r t sw e r e d r a w nb yt h ea u t o c a d t h ed e s i g ns u p p l i e dt h ef o u n d a t i o no fm a s si n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no ft h el t p ct r e a t m e n tt e c h n i q u e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r e es t a i n l e s s s t e e lt y p e s ( a i s i316 l 、a i s i3 21 、a i s i3 0 4 ) w e r ep l a s m a c a r b u r i z e da tl o wt e m p e r a t u r e c a r b u r i z e dl a y e r sw e r eo b s e r v e da n d a n a l y z e db yf i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x r a yd i f f i a c t i o n ( x g d ) ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，m i c m h a r d n e s st e s t e ra n dt h ee l e c t r o c h e m i c a l t e s t i n gt e c h n i q u e i tw a sd i s c u s s e da b o u tt h ee f f e c to fc a r b u r i z i n gt e m p e r a t u r e ， c a r b u r i z i n gt i m e ，a n ds u b s t r a t em a t e r i a lo np h a s es t r u c t u r e ，m i c r o s t r u c t u r e ， m i c r o h a r d n e s sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e c a r b u r i z e dl a y e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so f c a r b u r i z e d l a y e r s a r e s i g n i f i c a n t l y a f f e c t e d b yt h ec a r b u r i z i n gt e m p e r a t u r e ， c a r b u r i z i n gt i m ea n ds u b s t r a t em a t e r i a l a tl o wt e m p e r a t u r ea n di ns h o r tt i m e ，a p r e c i p i t a t i o n - f r e ec a r b u r i z e dl a y e ro f p h a s es t r u c t u r ec a nb ep r o d u c e d a th i g h e r t e m p e r a t u r e sa n dw i t hp r o l o n g e dc a r b u r i z i n gt i m e ，t h ed e p t ho fc a r b u r i z e dl a y e r i n c r e a s e s ，b u tt h ec h r o m i u mc a r b i d eb e g a nt op r e c i p i t a t ei nt h ec a r b u r i z e dl a y e r , w h i c hr e d u c e dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec a r b u r i z c dl a y e r t h eh a r d e ra n dt h i c k e r l a y e r sc a n b ep r o d u c e di nm oa n d o rt ic o n t a i n i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s i nt 1 1 i sd i s s e r t a t i o n t h em e c h a n i s mo fl t p cw a ss t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h e 青岛科技大学研究生学位论文 l t p cs h o u l db eap r o c e s so fi n i t i a t i v ea d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o n ，t h ea c t i v a t e d c a r b o na t o m sa n dt h ef ea t o m sw h i c hs p u t t e r i n gf r o mt h ec a t h o d es u r f a c ec o m p o u n d g e n e r a t e df e x c ，a n dt h ef e x cp a r t i c l e sw e r ea d s o r b e do nt h es a m p l es u r f a c ew h i c h w a sa c t i v a t e d a f t e rt h ef e x cp a r t i c l e sw e r eh i tb yo t h e rp a r t i c l e s ，a n df o r my cp h a s e c a r b u r i z e dl a y e r i ta l s os t u d i e d0 1 1t h ea p p l i c a t i o no fl t p c 。p l a s m ac a r b u r i z i n go fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lv a l v ep a r t sw e r ec a r r i e do u ta tl o wt e m p e r a t u r et oi m p r o v et h es u r f a c e h a r d n e s s ，a n do b t a i n e dan i c ec a r b u r i z a t i o nh a r d e n i n ge f f e c t i t s t e s t i f i e dt h e s u p e r i o r i t yo fl t p ct e c h n o l o g yi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：l o wt e m p e r a t u r ep l a s m ac a r b u r i z i n g ( l t p c ) a u s t c n i t i c s t a i n l e s ss t e e ls u r f a c eh a r d e n i n gt r e a t m e n t e q u i p m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s a p p l i c a t i o n s i i i 奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及工艺研究 主要符号说明 s 一氮或碳在奥氏体中的饱和固溶体； 品一圆筒计算壁厚，m l t l ； 仍一圆筒内径，n l n l ； 尸一外压设计压力，k g m 2 ； z 一圆筒计算长度，m m ； e 一材料温度为t 时的弹性模量，k g m 2 ： f 壁厚附加量，m m ； g 钢板的最大负公差附加量，n l n l ； c 2 一腐蚀裕量，m l t l ； c 3 一封头冲压时的拉伸减薄量，n l i n ； 【尸】一许用外压力，m p a ； 曰一系数； 一圆筒外径，m m g 尸一设计压力，m p a ； j 一平盖实际厚度，m l t l ； d 一计算直径，m m l k _ 一结构特征系数； 仃 一许用应力，k g c m 2 ； 织一管道外径，m ； d 1 一主保温层直径，m ； a 一保温材料的导热系数，w ( m k ) ； 口2 保温层外表面的放热系数，w ( m 2 k ) ； v i i i 青岛科技人学研究生学位论文 ，一管道设备外表温度，； 一保温结构周围空气温度，； 乙一保温层表面温度，； 艿一保温层厚度，i i i i l l ； 砌一泵的抽气速率，l s ； ，一管道通导，l s 一炉真空容积，l ； ，一达到所需真空度要求的时间，s ； 月一大气压强，p a ； 只一所要求抽到的压强，p a ： 髟一泵的性能系数： 夕一进入炉内氨的实际流量，l s ； 名一大气压强，p a ； 尸一压升率，p a s ； p 一渗碳工作时的压强，p a ： m l 一炉体质量，k g ： d l 一炉体外径，m ； d 2 一上法兰外径，m ； d l 一炉体内径，m ； d 2 一封头直径，m ； h l 一炉体高度，m ； h 2 一上法兰厚度，m ； p l 一不锈钢密度，k g m 3 ； m 2 一保温层质量，k g ： d 3 保温层外径，m ； d 3 一保温层内径，m ； i x 奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及t 艺研究 6 2 一法兰顶部保温层厚度，m ； 纯一岩棉板密度，k g m 3 ； 卜油缸支持力，5 只一支架与缸体之间的摩擦力，； 一作用在导轨表面上的正压力，； 一摩擦系数； p l 一导轨对上支架的支持力，： p 广导轨对下支架的支持力，； 九一油缸支持力的力臂，m ； h 导轨对上支架的支持力的力臂，m ； p 一炉体重力的力臂，m ； s 一油缸截面积，m 2 ； d 内一油缸内径，m m ； 卜液压缸行程，m m ； d 活一活塞杆直径，m m ； d 外一液压缸外径，m m ； 以一液压泵的最大工作压力，m p a ： 届一负载的压力，m p a ： 肇一系统进油路上的总压力损失，m p a ； 吼一液压泵最大流量，m 3 s ； l 一系统的泄漏系数； q 一液压缸的最大流量，m 3 s ； a 一液压缸有效面积，m 3 ； d 一液压缸内径，m ； 一液压缸的最大移动速度，m s ； n 。一驱动电机功率，k w ； x 青岛科技大学研究生学位论文 局一液压泵的实际输出压力，k g f c m 2 ； q 一液压泵的流量，l m i r a 一液压泵的效率； d 一油管直径，m m ； l ，一油管中允许的流速，m s ： 6 一油管壁厚，m m ； d _ 管道内径，l l l r n ； p 旷公称压力，k g f c m 2 ： v l 一油箱容积，l ； 口一为经验系数； 丫。一碳在奥氏体中的饱和固溶体； h v 一维氏硬度值； e 。盯- 自腐蚀电位，m v ； 等一浓度梯度，k g m 3 m ； 夕一扩散激活能，j m o l ； r 一气体常数，j ( m o l k ) ； t 一绝对温度，k ； e 一经时间t 后在渗层深度为x 处元素的浓度； g 一渗入元素在工件表面的浓度； x 一浓度变化方向上某点截面至渗层表面的距离； 明云告) 一高斯误差函数。 青岛科技大学研究生学位论文 声明尸明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人繇一辟 嗍6 年莎月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“) 本人签名： 奶伟 导师签名麴粒 日期： 日期： 幽 恒 月 月 厂b f 年 年 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题提出背景及目的意义 1 绪论 1 1 1 课题提出的背景 不锈钢是人类同腐蚀进行斗争的产物，使用不锈钢是减少腐蚀损失行之有 效的手段之一【 】。不锈铡作为一种重要的金属材料，在国民经济发展和国防建 设中起着十分重要的作用，世界工业发达国家都十分重视不锈钢的研究和发展。 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一类，其生产量和使用量占不锈钢总产 量及用量的7 0 以上 3 - 4 。奥氏体不锈钢因其具有高塑性、高耐蚀性、良好的焊 接性能、冷加工性能、韧性和和低温韧性、无磁性等而广泛应用于石油、化工、 电力、交通、航空、航天、航海、国防、能源开发以及轻工、纺织、食品和医 药等领域【5 】。然而，奥氏体不锈钢的硬度偏低( 2 0 0 2 5 0 h v ) ，耐磨性能和抗刮 擦性能比较差，严重影响了不锈铡机械零部件的使用寿命，限制了其在生产中 更广泛的应用【6 ，s l 。另外，奥氏体不锈铡在室温状态下使用时，是以奥氏体组织 状态存在，无法用淬火、调质等传统的热处理技术进行表面硬化处理【s ，9 】。 表面工程技术围绕腐蚀、摩擦、磨损和功能特性等因素，成为2 0 世纪8 0 年代世界上重点发展的十项关键技术之一，并取得长足进展，形成一门新兴学 科表面工程学。表面工程用于改善机械零件、电子电器元件基质材料表面 性能。对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐 热性、抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以 及强腐蚀介质工况下可靠而持续地运行：对于电子电器元件，表面工程丰要用 于提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能，以保证现代电子产品容 量大、传速快、体积小、高转换率、高可靠性。表面工程是现代制造技术的重 要组成部分，是维修与再制造的基本手段。表面工程对节能、节材、保护环境、 支持社会可持续发展发挥着重要作用。专家们预言，表面工程将成为2 l 世纪工 业发展的关键技术之一f l o - 1 5 】。美国商业部将表面工程技术列入影响2 l 世纪人类 生活的七大关键技术之一，与计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技 术、信息技术和先进制造技术并歹l j 1 6 。 表面工程的发展已经引起材料科学的一次革命，它的发展将会对人类社会 的发展和进步产生重大而深远的影响。事实上，人们已经把表面工程技术和新 奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及工艺研究 材料的研究摆在同样重要的位置，同时加工方法也随之形成了从传统加工到高 效、节能、绿色环保加工的发展趋势。 随着表面工程技术的广泛应用，有望以表面工程技术来克服奥氏体不锈钢 的这些缺点。因此设计、开发一种表面工程方法使得奥氏体不锈铡既具有高的 耐腐蚀又具有较好的抗摩擦性能，从2 0 世纪7 0 年代初已成为表面工程专家们 的奋斗目标。等离子体化学热处理技术是表面工程技术中的表面强化技术，它 是利用稀薄气体中阴极与阳极之间的辉光放电产生的等离子体激活反应气体进 行的一种化学热处理方法，又称为辉光放电离子化学热处理或离子轰击化学热 处理【1 7 】。它是一门综合性很强的应用技术，涉及到气体放电物理、真空、化学、 材料科学等多门学科的边缘学科。等离子化学热处理的基本原理是：将工件置 于真空室内，其间充入适当比例的反应气体，在外加直流电压的作用下，电子 从阴极向阳极运动，当气体分子被电子碰撞离化时，产生辉光放电。形成的正 离子将向工件加速，当正离子与工件表面发生碰撞时，与工件表面的化学元素 相结合。高能粒子对工件表面的轰击造成温度升高，促进所需元素在工件表面 的渗入，形成扩渗镀层f 1 8 】。用固体热扩渗、气体热扩渗、液体热扩渗三种热扩 渗方法处理不锈钢时，由于不锈钢表面具有一层致密的氧化膜，表面的氧化膜 阻碍活性原子的渗入，因此必须在处理前进行去钝处理，而离子热扩渗不需去 钝处理，很适用于不锈钢表面强化，离子热扩渗是目前不锈钢表面硬化最佳的 处理方法。离子渗氮是应用最广泛的表面硬化处理方法，然而在早期的研究， 如常规离子渗氮，往往是提高了不锈钢表面的硬度和耐磨损性能，却丧失了不 锈钢的耐腐蚀性能【1 9 2 0 。2 0 世纪8 0 年代后，离子渗氮向低温发展，形成了低 温离子渗氮技术，低温离子渗氮奥氏体不锈钢不仅可以提高奥氏体不锈钢表面 的硬度，而且不降低原有的耐蚀性能。奥氏体不锈钢不仅可以进行低温离子渗 氮处理，而且还可以进行低温离子渗碳处理，奥氏体不锈钢低温离子渗碳( l o w t e m p e r a t u r ep l a s m ac a r b u r i z i n g ，简称：l t p c ) 处理可以在不降低不锈钢耐蚀性 能的前提下，显著提高其表面硬度，此外，低温渗碳的硬化层厚、硬度梯度平 缓、韧性好、承载能力强，适合于奥氏体不锈钢零部件的表面硬化处理【2 1 2 2 】。 由于l t p c 技术的一系列优点，使其在金属材料的表面硬化处理领域中，获得 越来越广泛的应用。 奥氏体不锈钢l t p c 处理可以在传统的离子氮化炉内进行，但奥氏体不锈 钢l t p c 技术对渗碳温度及炉内温度均匀性要求很高，而目前国内外工业生产 上用的离子热处理炉的炉体结构仍然采用上世纪7 0 年代的双层水冷式结构【2 3 。 2 4 】，工作时冷却水在夹层中流动以冷却炉体。由于热的工件和冷的炉壁之间存 在很大的温差，使炉内空间径向温度梯度很大，造成径向工件温度很不均匀， 青岛科技大学研究生学位论文 严重影响了炉内工件的处理质量，以至于用市场购买的离子氮化炉无法进行奥 氏体不锈钢l t p c 硬化处理。此外，因冷却炉体要消耗大量的水资源，而且冷 却水会不断地带走大量的热量，造成能源浪费。针对这些问题，研制一套适合 奥氏体不锈钢表面硬化处理的装置已迫在眉睫。 1 1 2 课题的目的意义 目前，国内对奥氏体不锈钢l t p c 技术的研究还处于起步阶段，对l t p c 处理技术的应用也在不断探索之中，但较之早期的低温离子渗氮技术，l t p c 技术的应用前景更为广阔。基于现在市场上没有适合奥氏体不锈钢l t p c 处理 技术的设各，因此有必要投入更多的力量米研制一套适合奥氏体不锈钢l t p c 硬化处理装置。 正因为如此，本课题选题时就将提高奥氏体不锈钢制品的使用寿命和扩大 奥氏体不锈钢的使用范围作为研究的最终目的，同时研制一套满足奥氏体不锈 钢l t p c 技术要求的设备，通过试验研究奥氏体不锈钢l t p c 的渗碳工艺和渗 碳机理，在此基础上，对奥氏体不锈钢l t p c 的应用进行研究，以实现工业上 的应用，为我国的奥氏体不锈钢表面强化提供有效的加工手段，促进奥氏体不 锈钢在更为广泛的范围得到应用。奥氏体不锈钢l t p c 设备的出现丰富了我国 在高效、节能、绿色环保加工的内容，为新时期建设资源节约型、环境友好型 社会，促进和谐社会建设而努力。因此，本课题的研究具有重大的社会效益和 理论意义以及经济效益。 1 2 奥氏体不锈钢表面硬化处理工艺及离子热处理设备研究现状 1 2 1 奥氏体不锈钢表面硬化处理工艺研究现状 在过去几十年里，人们在改善不锈钢表面性能方面做了许多努力，现代表 面改性技术，如电镀、化学镀等，由于镀层与基体结合力差等问题，往往不适 用于不锈钢。并且由于不锈铡表面具有一层致密的c r 2 0 ，钝化膜，用固体热扩 渗、气体热扩渗、液体热扩渗三种热扩渗方法进行硬化处理时，表面的c r 2 0 3 钝化膜阻碍欲渗活性原子的渗入，因此必须在硬化处理前进行去钝处理。相对 而言，离子热扩渗法中的表面化学热处理，是一项最有发展前途的不锈钢表面 硬化处理方法。常用于奥氏体不锈钢表面硬化处理的技术主要有：奥氏体不锈 钢低温离子渗氮技术、奥氏体不锈钢固溶渗氮技术、奥氏体不锈铡低温离子氮 碳共渗技术和奥氏体不锈铡低温离子渗碳技术等。 ( 1 ) 奥氏体不锈钢低温离子渗氮技术 奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及t 艺研究 为解决传统的离子渗氮技术降低奥氏体不锈钢耐蚀性的问题，2 0 世纪8 0 年中期，在t b e l l 教授的指导下，在英国b i r m i n g h a m 大学表面工程研究室作访 问学者的中国大连工学院z l z h a n g 发现了一种低温离子氮化表面处理方法， 该方法可以显著提高奥氏体不锈钢的硬度，同时还能保持它的耐腐蚀性能【2 5 】。 该技术的关键是要将渗氮温度降低至门槛值以下( 、 4 5 0 ) ，抑制渗氮过程中 铬的氮化物析出。与此同时，日本关西大学市井一男也发表了类似的研究成果， 他在文章中指出低温离子氮化产牛的表面层中只存在单相( s i n g l ep h a s e ) 组织， 称之为“s ”相【1 1 1 。s 相同样具有传统渗氮层高硬度的特征( 1 4 0 0 h v ) ，提高 了奥氏体不锈钢表面的硬度和耐摩擦磨损性能，又保持了与未处理的不锈钢相 当的耐蚀性。s 相组织是一种业稳态的中问相，在高温条件下不稳定，增加渗 氮温度和时间将导致s 相分解，有铬的氮化物析出，低温、短时和低氮势均有 利于形成s 相单相硬化层，随渗氮温度增加或处理时间的延长，开始有氮化物 析出。尽管渗层硬度有所提高，但渗层耐蚀性能降低j 浸蚀后在显微镜下有点 状黑色相出现。进一步增加渗氮温度，或延长时间，最终s 相完全分解消失， 渗层将主要由c r n 和y 相组成，渗层硬度仍有提高，渗层耐蚀性能恶化。因而 低温离子渗氮在奥氏体不锈钢表面上很难制备出厚度大于1 0 岬性能优越的s 相单相硬化层。 ( 2 ) 奥氏体不锈钢崮溶渗氮技术 为提高抗奥氏体不锈钢的耐晶问腐蚀性能，分解在不锈钢冷加工过程中产 生的碳化物和。相，并消除加工硬化现象，奥氏体不锈钢在焊接或其它压力加工 成型后通常需要进行崮溶热处理。 19 9 3 年b o c h u mr u h r 大学h b e t a s 教授据此研发出一种热化学热处理工艺 s o i n i t 工艺，在w i e s b a d e n 的热处理学术研讨会上作为不锈钢表面改性新工艺 提出来。其中用于处理奥氏体不锈钢的技术称为s o n i t a 2 6 。此工艺是在1 0 5 0 11 5 0 的真空炉中，氮溶解在不锈钢工件的表面层里，然后快速冷却下来， 使氮化物不能析出来，从而在工件表面形成一定的渗氮层。 s o i n i t a 渗氮不仅提高了奥氏体不锈钢表面的强度、硬度和耐磨性，而且 还提高了其耐腐蚀性能。由于氮是一种强稳定奥氏体元素，对奥氏体不锈钢进 行高氮表面处理后，得到被氮固溶强化了的含氮奥氏体，改善了零件的耐气蚀 性能，而心部仍保持固溶处理的组织和性能。 这种处理方法是固溶处理和渗氮处理的结合，将工件心部与表层的组织和 性能重新配合，工件即使工作在有腐蚀性气氛的环境下，也能提供较高的抗腐 蚀能力，疲劳强度也有所提高。高强度和良好的抗腐蚀性是经s o n i t a 处理后 的奥氏体表面层的两个突出特性。 4 青岛科技火学研究生学位论文 ( 3 ) 奥氏体不锈铡低温离子氮碳共渗技术 近两年，z h a oc h e n g 等人在低温离子渗氮的基础上，对奥氏体不锈铡的离 子氮碳共渗处理进行研究【2 7 _ 2 9 】，发现可以获得高硬度、高渗层厚度和合理硬度 梯度的s 相单相表面硬化层。 奥氏体不锈钢低温离子氮碳共渗表面硬化层既具有离子渗氮处理一样高的 硬度，达到1 2 0 0 h v ，又有离子渗碳处理一样深的硬化层厚度，但硬化层的硬 度梯度在渗氮层和渗碳层之问有一个陡降的台阶过渡。由于过渡处的硬度高达 7 0 0 h v 以上，而且台阶后面硬化层也比较厚，使渗层的硬度可以在一定高的水 平内继续延续。这种硬度梯度结构比起单纯离子渗氮层从表面极高的硬度陡降 至较软的基体硬度梯度要好得多，虽然硬度略低于离子渗氮层的表面硬度，但 远大于离子渗碳层的表面硬度，耐磨性能也有很大程度的提高。 奥氏体不锈钢低温离子氮碳共渗层的硬度和厚度变化与化学元素n 和c 的 分布有关。渗层表面的高含氦量保证了渗层表面的高硬度，而渗层内部厚的渗 碳层又起到一个支撑的作用，形成一种合理的硬度梯度。奥氏体不锈钢经过离 子氮碳共渗处理后，力学性能有很大提高的原因是处理后的组织结构和成分的 变化。过饱和的n 、c 固溶体引起奥氏体晶格的畸变，位错密度增加，使渗层 的硬度和耐磨性得到大幅度地提高。 该技术的关键是严格控制渗层内铬的氮化物或碳化物不析出。影响铬化合 物析出的工艺参数有处理温度、时间和气体成分等，其中温度影响最大，并且 和低温离子渗氮处理的温度范围一样，处理温度应低于4 5 0 。 奥氏体不锈铡经离子氮碳共渗处理后，可以在不降低奥氏体不锈钢耐蚀性 能的前提下，大幅度提高表面硬度和耐磨性，为奥氏体不锈钢的表面改性处理 开辟了一种新的研究方向。 ( 4 ) k o l s t e r i s i n g 处理技术【3 0 】 k o l s t e r i s i n g 表面硬化技术是一种有代表性的奥氏体不锈钢低温渗碳技术， 它是通过控制碳在奥氏体不锈钢内的扩散，来达到奥氏体不锈钢表面硬化的目 的。该技术最初发源于荷兰的b o d y c o t e 公司，2 0 0 3 年发展到北美f 3 l j 。采用该 技术处理的奥氏体不锈钢在表面耐摩擦、磨损性能、疲劳寿命、耐孔蚀性以及 耐应力腐蚀开裂性能等方面均有明显的提高的同时，并不降低表面的耐蚀性能。 k o l s t e r i s i n g 表面硬化技术工艺非常特殊，它通过温度 5 0 0 低温渗碳处理， 将大量的碳原子扩散进入奥氏体不锈铡表面，形成深度在2 0 4 0 p m 之间碳的扩 散层【3 i 】。处理后的奥氏体不锈钢的表面硬度比较高，可达到1 0 0 0 1 2 0 0 h v o0 5 ( 相 当于7 l 一7 4 h r c ) ，耐磨性能大大提高。而耐蚀性没有下降。经处理的a i s i31 6 奥氏体不锈铡耐点蚀性有很大提高，耐应力腐蚀裂纹性能和抗疲劳性能也有较 奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及工艺研究 大的改善。在不锈钢材料表面性能得到明显改善的同时，由于处理温度较低， 工件的尺寸和色泽都没有发牛改变，而且在棱角、内孔、盲孔以及毫米级的孔 隙处硬化程度完全相同，此工艺还体现了极好的耐微动冲击磨损性能。 k o l s t e r i s i n g 处理方法根据处理后表面硬化层的深度分为3 3 1 m a 和2 2 “m 两 种。另外k o l s t e r i s i n g 还有一种特殊的复合处理工艺，为获得最佳的耐腐蚀性能， 这种复合处理工艺要求处理前不锈钢表面要进行奥氏体化，即采用固溶退火或 者电解抛光得到变形马氏体的方式米减少、去除奥氏体不锈铡表面层中的铁 素体。 奥氏体不锈俐的k o l s t e r i s i n g 表面硬化技术在药品、食品以及饮料工业领域 里的典型应用是水泵、转子、齿轮、防腐阀门、阀座等；对于许多大容量的装 瓶生产线，该工艺的应用也非常普遍；汽车工业领域的许多零部件的处理也常 用到此项技术，典型的零件是传输控制阀门和柴油引擎的推动喷油器元件。同 样，该技术可提高螺栓和螺钉的螺纹区的耐摩擦性能，从而提高它们的综合性 能。该项技术的应用还在不断地扩大，最重要的原因在于它改进了某些关键的 力学性能。出于激烈的商业竞争，该技术一直处于保密中，但是从对试样测试 结果的分析来看，过饱和渗碳层的硬度和厚度与低温离子渗碳相似，不排除是 采用离子法来进行渗碳处理的。 ( 5 ) 奥氏体不锈钢低温离子渗碳技术 低温离子渗碳具有渗层均匀、韧性好、承载能力强、硬度梯度平缓、渗碳 效率高等优点 2 1 2 2 。正是出于该技术有诸多优点，世界各国已加大对奥氏体不 锈钢l t p c 技术的研究，2 0 世纪9 0 年代初，当时在英国b i r m i n g h a m 大学的y s u n 等将含碳气体代替氮气引入离子处理的气氛中，成功地得到了一层类似于 渗氮后产牛的硬化层】。 从上面的叙述中可以看出，奥氏体不锈钢低温离子渗氮虽然在不降低原有 耐蚀性能的前提下可以其表面硬度，但是渗氮层薄而硬，脆性较大，承载能力 有限，奥氏体不锈钢低温离子氮碳共渗技术也存在同样的问题。奥氏体不锈钢 固溶渗氮技术是在高温下进行的，处理前后工件的变形很大，尺寸精度难以控 制，不适合用于一些精密不锈钢零件的表面硬化处理。基于k o l s t e r i s i n g 表面硬 化技术的保密性，奥氏体不锈钢l t p c 技术无疑是一项具有发展前途的表面强 化处理技术。 1 2 2 离子热处理设备研究现状 以离子渗氮工艺实现工业化应用为标志，离子化学热处理技术已走过近4 0 多年的历程，得到了广泛的应用，成为热处理技术工艺中不可或缺的一个组成 6 青岛科技大学研究生学位论文 部分，所以离子渗氮设备的发展代表了离子热处理设备的发展1 3 2 。2 0 世纪3 0 年代，德国学者b b e r g h o u s 首先发现了在辉光放电电场进行表面硬化的优越 性，并采用此工艺进行渗氮处理，取得了第一个离子渗氮发明专利；随后该技 术在军事领域得到应用；5 0 年代后，经原西德学者的进一步研究，原西德 k 1 6 c k n e ri o n o n 公司于1 9 6 7 年实现工业应用。奥地利r o b i g 公司生产的带有 对流或热辐射辅助加热装置的离子渗氮设备，这种离子热处理炉在简体内部增 加了加热元件，这不仅提高了工件加热的均匀性和加热速度，而且可以实现多 元共渗、真空加热和回火等，但结构较复杂，造价高，维修困难，难制造大型 炉子【3 3 】。2 0 世纪9 0 年代末，卢森堡工程师g e o r g e s 发明了“活性屏离子氮化” 技术( t h r o u g hc a g ep l a s m an i t r i d i n g ，简称t c 离子氮化，或称为a c t i v es c r e e n p l a s m a n i t r i d i n g ，简称a s p n ) 3 4 1 ，并成功的应用于活塞环等一些机械零部件 表面硬化处理中1 3 5 ，该技术已获美国专利【3 6 】。活性屏离子氮化技术是将高压直 流电源的负极接在真空室内一个铁制的网状圆筒上，被处理的工件置于网罩的 中间，工件呈电悬浮状态或与1 0 0 v 左右的直流负偏压相接，其结构示意图如 图1 1 所示。由g e o r g e s 创建的p l a s m am e t a ls a 公司也开始生产销售活性屏离 子氮化处理设备。 真空室 图1 - 1 活性屏离子氮化炉示意图 f i g 1 - 1t h es c h e m ao ft h ep l a s m an i t r d i n gf u r n a c ew i t ha c t i v es c r e e n 我国对离子渗氮的研究始于2 0 世纪6 0 年代末期，内容涉及工艺、设备、 性能及基础理论等广泛的领域，并实现了从实验室设备到生产应用设备的过渡。 1 9 9 4 年江西科学院的余有海等报道了双重加热离子渗氮炉，在消除工件由油污 引起的弧光、节能等方面做了改进【3 7 】。2 0 0 1 年大连海事大学的刘伟等报道了新 7 奥氏体不锈铜低温离子渗碳袁面硬化处理设备及工艺研究 型离子渗氮炉的设计，从减少炉壁散热损失、增加底座承重能力、提高电极链 接可靠性等方面进行了改进，新的设计中增加了真空隔热层，减少热量损失， 采用了圆弧型封头底座，增大炉体称重能力，改善气体流动的均匀性【2 】，设备 维护保养方便，工作稳定可靠，但该设计并没有显著提高炉内的温度均匀性。 图1 - 2 为武汉等离子研究所生产的l d 一1 5 0 a 直流辉光离子氮化炉，炉体采用双 层水冷式设计，其结构示意圈如图卜3 所示【3 3 i ，工作时冷却水在夹层中流动阻 保护炉体，这不但要消耗大量的水资源，而且冷却水会不断地带走大量的热量， 造成能源浪费，由于热的工件和冷的炉壁之问存在很大的温差，使炉内空间径 向温度梯度很大造成径向工件温度很不均匀。 圉卜2 双层水冷式离子热处理蓑1田1 f i g 1 - 2 c o l d w a l l 噼o f p l a s m a h e a t t r e a t m e n t e q u i p m e n t 月 自】j d l _ j o 一壅窒墨矍 | 旺霪饔 _ 豳7 3 双层水冷式离子热处理装王示毒圈 f i g 1 3 t h es c h e m a o f c o l d w a l l t y p e o f # a s r mh e a t l l e a h m n t e q u i p m e n t 青岛科技大学机电工程学院表面技术研究所已有二十多年的发展历史专 门从事金属材料表面工程技术的基础与应用研究。2 0 0 2 年，青岛科技大学成功 研制了保温式多功能离子热处理装置，并获国家专利州。由于采用了保温式炉 体结构，可实现该工艺且节约能源口。其实物图如图1 _ 4 所示，结构示意圈如 图1 5 所示。本设备主要特点是：结构简单合理，可节电4 8 ，炉体采用不 锈钢制造，使用寿命长；炉内空间温度高、工件温度均匀，有效工作空间扩 大3 0 ；打弧时问短，节能效果显著可实现4 , t l 处理；炉体液压自动升 降； 可实现离子渗氦、离子氮碳共渗、离子软氨化+ 离子氧化复台处理、活 性屏离子渗氮以及等离子体化学气相沉积等多功能处理。 一囹 青岛科技人学研究生学位论文 臣 囤卜4 保温武；功能离于热处理炉 f i g l 4 t h eh e a t p r e s e r v a t i o n t y p eo f m u l t i p u r p o s ep l a s m a f u r n a c e 图1 5 保温式多功能离于搀处理炉示惠目 f i 9 1 - 5 t h es c h e 脚o f t h e h e a tp r e s e r v a t i o n t y p eo f m u l t i p u r p o s ep l a s r o a f u m a c e 在离子渗碳设鲁方面，离子渗碳炉的发展与普及在过去十年中远不及离子 氮化炉快。然而，离子渗碳处理在渗碳均匀性与无晶界腐蚀特性上却引人注r l ，1 9 8 2 年，英国电力协会的c a p e n h u r s t 实验室设计制造了一套等离千渗碳试 验装置，该装置由水冷真空室、气氛掩制系统和分别丌 于辫光放电与加热的高， 低压电源部俐组成，川该装置在根宽的胜力、气体成分和温度范围内对各种零 件进行了渗碳试验l 。近年，法固d ) m 1 公司也自称研制成功用于离于溏碳炉的 高频脉冲电源脉冲频率可达2 5 0 0 h z t “l ，幽1 - 6 为日本n d k 公司牛产的p m f 7 5 4 型离于渗碳炉该设备带有双层水冷设计，其结构示意图如图l - 7 所示 ”i ， 这些设备同样存在炉内温度均匀性差的问题。 奥氏体不锈锕低温离子潞碳袭面硬化处理设备及工艺研究 图卜6 鼠层水冷式离子洛碳蕞置 f i gl 击c o l d w a l l t y p e o f p l a s m a c a r b u r i z i n ge q u i p m e n t 图卜7 双屡水冷式离子热处理装置示意图 f i g l - 7 n es c b e m f a o f c o l d w a l l t y p e o f p l a s m a h e a t t r 髓u n e n t 近年米，国内在离子渗碳设备研制方面的发展也很快。1 9 8 7 年1 月，以武 汉材料保护研究所为丰在广东真空设备厂的协助下，研制成功的“z l s c - 3 0 2 0 z 型真空离子渗碳淬火炉”通过技术鉴定，这台设备为卧式双室结构，具 有