一種提高不銹鋼表面硬度和耐蝕性的輝光離子滲碳法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化學(xué)熱處理領(lǐng)域，具體涉及一種提高不銹鋼表面硬度和耐蝕性的輝光離子滲碳法。
【背景技術(shù)】
[0002]奧氏體不銹鋼在不銹鋼領(lǐng)域中占有極為重要的地位。由于奧氏體不銹鋼優(yōu)良的耐蝕性能、常溫和低溫塑韌性、無(wú)磁性、加工成型性及可焊接性而廣泛用于閥門(mén)、石油管道、化工、車(chē)輛工程等領(lǐng)域。但是奧氏體不銹鋼具有面心立方結(jié)構(gòu)，表面硬度較低，在工程應(yīng)用中容易產(chǎn)生表面接觸疲勞或磨損破壞，極大地限制了奧氏體不銹鋼的發(fā)展應(yīng)用。因此，奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)化工藝的發(fā)展，是促進(jìn)此類(lèi)材料發(fā)展的關(guān)鍵。
[0003]為改善奧氏體不銹鋼的表面硬度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究探索工作。目前，用于不銹鋼強(qiáng)化技術(shù)主要有表面沉積、離子注入、熱噴涂以及表面化學(xué)熱處理等。由于不銹鋼表面容易形成致密的Cr2O3保護(hù)膜，表面沉積及離子注入方法均存在硬化層厚度很薄，覆蓋不致密，與基體結(jié)合不牢固等問(wèn)題。另外，這類(lèi)方法雖然能在一定程度上提高不銹鋼的表面硬度，但卻嚴(yán)重的降低了其耐蝕性能。相對(duì)而言，表面化學(xué)熱處理能通過(guò)優(yōu)化工藝，在不降低耐蝕性能的情況下提高奧氏體不銹鋼的表面硬度，是一種前景較為廣闊的不銹鋼硬化技術(shù)。
[0004]常用的奧氏體不銹鋼硬化處理的表面化學(xué)熱處理有:低溫離子滲氮、固溶滲氮、低溫離子碳氮共滲及低溫離子滲碳技術(shù)。低溫離子滲氮及碳氮共滲表面硬化層滲層薄，脆性大，不利于在表面應(yīng)力較大的環(huán)境下工作。固溶滲氮由于處理溫度高，處理過(guò)程中工件極易形變，不適于對(duì)尺寸精度要求較高的場(chǎng)合。低溫輝光離子滲碳技術(shù)是一種利用高電壓輝光放電電離氣體以得到碳的等離子體，并在低于敏化溫度下使碳元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入奧氏體不銹鋼表面的滲碳工藝。奧氏體不銹鋼經(jīng)過(guò)低溫輝光離子滲碳后，表面硬度顯著提高，硬度梯度平緩，硬化層厚度均勻，且耐蝕性能不降低甚至有所改善。作為一種有著廣泛前景的不銹鋼硬化新工藝，低溫離子滲碳技術(shù)已在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家引起了高度關(guān)注，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了許多關(guān)于低溫離子滲碳的新工藝新方法?？偟膩?lái)說(shuō)，新型工藝和方法的提出，主要目的是解決三個(gè)問(wèn)題:第一，怎樣有效的去除不銹鋼表面鈍化膜而不影響后續(xù)滲碳;第二，由于低溫環(huán)境下，碳在奧氏體中擴(kuò)散較慢，怎樣通過(guò)改變工藝參數(shù)提高生產(chǎn)效率;第三，怎樣保證滲碳后的不銹鋼兼具所需的滲層深度和良好的耐蝕性能。如滲碳前用氯化氫氣體或鹽酸清洗試樣表面、活性屏離子滲碳、工件受拉狀態(tài)下滲碳等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決不銹鋼去鈍化膜問(wèn)題，提供一種提高儀表閥門(mén)及管接件中奧氏體不銹鋼部件硬度和耐蝕性的輝光離子滲碳法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種提高不銹鋼表面硬度和耐蝕性的輝光離子滲碳法，包括以下步驟: 1)將表面潔凈、干燥的不銹鋼置于滲碳爐中的陰極盤(pán)上，滲碳爐內(nèi)抽真空處理，并用高純氫氣清洗爐膛2-3次，清洗完成后，重新將滲碳爐內(nèi)壓力抽至50Pa以下；
2)在陰極盤(pán)和爐膛內(nèi)壁之間施加直流脈沖高電壓，并充入氬氣使?jié)B碳爐內(nèi)的壓力為100?200Pa，輝光放電去除不銹鋼表面氧化膜;工件表面不允許存在打弧現(xiàn)象，輝光放電過(guò)程中，不銹鋼溫度也同時(shí)上升；
3)當(dāng)不銹鋼溫度升至滲碳溫度時(shí)，關(guān)閉氬氣源，通入含碳還原性氣體至滲碳爐內(nèi)壓力為300?450Pa進(jìn)行滲碳，滲碳過(guò)程中的直流脈沖電壓為650?800V，滲碳爐內(nèi)氣壓為300?450Pa，滲碳溫度為350?500 °C，保溫6?20小時(shí)，保溫結(jié)束后關(guān)閉碳源，繼續(xù)保持滲碳爐內(nèi)氣壓和滲碳溫度不變并維持2?4小時(shí)，完成后關(guān)閉電壓輸入，關(guān)閉氣體；
4)將滲碳爐內(nèi)剩余的氣體抽出，并向爐膛內(nèi)充入保護(hù)氣體進(jìn)行冷卻；
5)將上述步驟4)得到的不銹鋼浸入50?100°C的腐蝕溶液中，浸泡2?4h去除不銹鋼表面因滲碳生成的不耐腐蝕層，所述腐蝕溶液由H2SO4、KMn04、H3PO4和H2O按一定比例混合而成。
[0007]所述不銹鋼為奧氏體不銹鋼。
[0008]所述步驟3)，所述含碳還原性氣體為氫氣和甲烷的混合氣。
[0009]所述氫氣和甲烷的流量比為600:1?20。
[0010]所述步驟3)，滲碳后得到的不銹鋼的滲碳層厚度為10?ΙΟΟμπι。
[0011 ]所述步驟4)，所述保護(hù)氣體為氮?dú)狻?br>[0012]所述步驟4)，當(dāng)不銹鋼冷卻到200°C以下時(shí)，將不銹鋼從滲碳爐內(nèi)取出，自然冷卻。
[0013]所述步驟5)的腐蝕溶液中，H2SO4的濃度為10?40%，KMn04的濃度為I?5%，H3P04的濃度為10?20%。
[0014]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，利用氬氣等離子轟擊作用去除不銹鋼表面氧化膜，本發(fā)明去除不銹鋼氧化膜的原理是:奧氏體不銹鋼在普通環(huán)境中極易在表面形成一層致密的Cr2O3氧化膜，氧化膜的存在使得不銹鋼具有不銹性，但在滲碳過(guò)程中阻礙了碳原子進(jìn)入工件內(nèi)部，達(dá)不到滲碳的效果。目前奧氏體不銹鋼低溫滲碳主要采用HCl氣體或鹽浴去除氧化膜，不僅存在安全隱患，且容易腐蝕設(shè)備造成設(shè)備使用壽命減少。本發(fā)明是在高電壓狀態(tài)下通入氬氣，使氬氣電離形成等離子態(tài)。等離子態(tài)的氬在電場(chǎng)作用下高速撞擊作為陰極的工件。由于氬原子的質(zhì)量較重，故能較為充分的去除工件表面的氧化膜，而不對(duì)爐膛造成腐蝕，該方法去除氧化膜后滲碳層可達(dá)到:10?ΙΟΟμπι。
[0015]本發(fā)明后處理方法是:低溫輝光離子滲碳過(guò)程中，爐膛內(nèi)碳的等離子體轟擊奧氏體不銹鋼表面，并與不銹鋼中鐵、鉻等碳化物形成元素結(jié)合，造成表面碳勢(shì)較高。滲碳完成后，表面的碳元素主要以炭黑、Fe3C、碳化鉻等形式存在，嚴(yán)重影響了不銹鋼表面的耐腐蝕性。因此本發(fā)明采用H2S04、KMn04和H3PO4的混合溶液作為腐蝕液，較好的去除了滲碳后的不銹鋼表面不耐腐蝕層，而對(duì)滲層影響不大。
[0016]本發(fā)明解決了以下三個(gè)問(wèn)題:1、提高奧氏體不銹鋼表面硬度。由于奧氏體不銹鋼基體硬度較低，不能應(yīng)用于磨損較大的場(chǎng)合，極大的限制了奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)用，通過(guò)本發(fā)明處理后的奧氏體體不銹鋼表面硬度能達(dá)到HV0.3600?800，解決了材料表面不耐磨的問(wèn)題。2、解決不銹鋼去鈍化膜問(wèn)題，現(xiàn)有不銹鋼的低溫滲碳方法通常使用HCl氣體或鹽浴，不僅存在安全隱患，且容易腐蝕設(shè)備造成設(shè)備使用壽命減少。3、滲碳后通過(guò)后處理提高奧氏體不銹鋼表面的耐蝕性能。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
1.低溫輝光離子滲碳過(guò)程中，由于滲碳溫度較低，碳原子在奧氏體中擴(kuò)散較慢，時(shí)間過(guò)短則表面碳勢(shì)過(guò)高而滲碳層深度不足，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則奧氏體中的鉻元素容易以碳化物的形式析出造成鋼的耐蝕性能下降。本發(fā)明在滲碳過(guò)程中保證了保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間(滲碳過(guò)程中的直流脈沖電壓為650?800V，滲碳爐內(nèi)氣壓為300?450Pa，滲碳溫度為350?500 °C，保溫6?20小時(shí))，使表面碳元素能充分?jǐn)U散進(jìn)入不銹鋼內(nèi)部，碳濃度梯度更加平緩，表面碳勢(shì)降低，滲層深度提高，在保證滲碳層深度的基礎(chǔ)上提高了耐蝕性能。
[0018]2.本發(fā)明采用氬氣輝光放電轟擊工件表面以去除奧氏體不銹鋼表面氧化膜，不使用含鹵素的氣體或熔融浴，因此，可使工藝步驟更為簡(jiǎn)化而大幅降低制造成本，且對(duì)設(shè)備基本不造成腐蝕；同時(shí)，由于不需使用含鹵素的氣體，故可提升工序?qū)嵤┻^(guò)程中的安全性，亦可使環(huán)境免受鹵化物的污染。
[0019]3.本發(fā)明引入滲碳后處理工序，在保證一定滲碳層深度的基礎(chǔ)上，極大地提高了奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能。如圖1所示，滲層厚度為30μπι，滲碳前點(diǎn)蝕電位為375mv，滲碳后點(diǎn)蝕電位647mv。
【附圖說(shuō)明】
[0020]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明:
圖1為采用本發(fā)明方法滲碳前后不銹鋼滲碳件的點(diǎn)蝕電位以及滲碳層厚度圖；
圖2為實(shí)施例1的不銹鋼的滲碳層厚度圖；
圖3為對(duì)比例I不做去氧化膜處理的的不銹鋼的滲碳層厚度圖；
圖4為對(duì)比例2不做保溫?cái)U(kuò)散處理的不銹鋼的滲碳層厚度圖；
圖5為實(shí)施例1的不銹鋼的點(diǎn)蝕電位圖；
圖6為對(duì)比例3不浸泡于腐蝕溶液中的不銹鋼的點(diǎn)蝕電位圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]—種提高不銹鋼表面硬度和耐蝕性的輝光離子滲碳法，包括以下步驟:
1)將表面潔凈、干燥的奧氏體不銹鋼置于滲碳爐中的陰極盤(pán)上，滲碳爐內(nèi)抽真空處理，并用高純氫氣清洗爐膛2-3次，清洗完成后，重新將滲碳爐內(nèi)壓力抽至50Pa以下；
2)在陰極盤(pán)和爐膛內(nèi)壁之間施加直流脈沖高電壓，并充入氬氣使?jié)B碳爐內(nèi)的壓力為100?200Pa，輝光放電去除不銹鋼表面氧化膜;工件表面不允許存在打弧現(xiàn)象，輝光放電過(guò)程中，不銹鋼溫度也同時(shí)上升；
3)當(dāng)不銹鋼溫度升至滲碳溫度時(shí)，關(guān)閉氬氣源，通入含碳還原性氣體(氫氣和甲烷的混合氣，所述氫氣和甲烷的流量比為600:1?600:20)至滲碳爐內(nèi)壓力為300?450Pa進(jìn)行滲碳，滲碳過(guò)程中的直流脈沖電壓為650?800V，滲碳爐內(nèi)氣壓為300?450Pa，滲碳溫度為350?500°C，保溫6?20小時(shí)，保溫結(jié)束后關(guān)閉碳源，繼續(xù)保持滲碳爐內(nèi)氣壓和滲碳溫度不變并維持2?4小時(shí)，完成后關(guān)閉電壓輸入，關(guān)閉氣體；
4)將滲碳爐內(nèi)剩余的氣體抽出，并向爐膛內(nèi)充入氮?dú)膺M(jìn)行冷卻，當(dāng)不銹鋼冷卻到200°C以下時(shí)，可取出自然冷卻； 5)將上述步驟4)得到的不銹鋼浸入50?100°C的腐蝕溶液中，浸泡2?4h去除不銹鋼表面因滲碳生成的不耐腐蝕層，所述腐蝕溶液由H2SO4、KMnO4、H3PO4和H2O混合而成，腐蝕溶液中，H2