本發明屬于材料表面處理技術領域，尤其是涉及一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體碳氮共滲方法。

　　背景技術：

　　奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含cr約18％、ni8％～25％、c約0.1％時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有優良的力學性能、高韌性和塑性，可加工性以及抗腐蝕性強，被廣泛應用于化工、汽車、機械、海運及海洋構件等領域；但奧氏體不銹鋼缺點是由于含碳量極低，導致表面強度和硬度較低，抗磨損性能、抗疲勞性能低，且不可能通過相變使之強化，嚴重影響奧氏體不銹鋼的使用范圍，或是大幅度降低零工件的使用壽命。低溫碳氮共滲是常見的對金屬表面進行強化處理的方法，即在較低溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和接觸疲勞強度。目前應用較廣的碳氮共滲方法是氣體法和鹽浴法。但目前的碳氮共滲工藝中，由于不銹鋼中含有較高含量的鉻，如果碳的濃度較高且加熱溫度過高，有時會導致活鋼表面形成粗大的塊狀活網狀碳化物，導致表面過脆，韌性急劇下降。

　　技術實現要素：

　　為解決上述技術問題，本發明提供了一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體碳氮共滲方法。采取兩段式升降溫，提高了碳原子從工件內部到表面的分布均勻性，提高了性能。

　　本發明完整的技術方案包括：

　　一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體碳氮共滲方法，包括如下步驟：

　　1)將奧氏體不銹鋼工件進行共滲前去除表面鈍化膜處理；

　　2)將奧氏體不銹鋼放入碳氮共滲爐中，抽真空到10-3pa；

　　3)通入碳氮共滲氣體，加熱碳氮共滲爐開始碳氮共滲處理，所述的碳氮共滲處理為兩段式升降溫過程，包括：

　　3.1由管路將體積組成為co：h2：nh3＝3：1：12的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，加熱到500℃-550℃，保溫5-8小時，

　　3.2隨后由管路將體積組成為co：h2：nh3＝2：1：8的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，降溫到390℃-400℃，保溫1-2小時，

　　3.3然后由管路將體積組成為co：h2：nh3＝3：1：12的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，升溫到480℃-500℃，保溫1小時，

　　3.4由管路將體積組成為co：h2：nh3＝2：1：8的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，降溫到390℃-400℃，保溫1.5小時后對碳氮共滲爐抽真空并充n2保護，緩冷到150℃下。

　　4)對奧氏體不銹鋼工件進行去除表面鈍化膜處理。

　　本發明相對于現有技術的優點在于：采用兩段式的升降溫碳氮共滲處理，并交替使用不同濃度的碳氮共滲氣體，實現了在高溫下活性碳原子在工件表面的高濃度富集以及低溫下碳原子向工件內部的順利擴散，避免形成粗大碳化物，碳化物尺寸變小同時促進了氮原子的溶解。

　　具體實施方式

　　下面結合具體實施方式對本發明做進一步說明。

　　選擇奧氏體不銹鋼的組分為cr：22.3％～26.5％；ni：6％～9％；mo：0.3％～0.8％；c：0.02-0.06％；mn：4％～7％；si：1.0％～1.2％；n：0.05％～0.15％；la：0.011％-0.015％；sr：0.009％-0.011％；nb：0.1～0.8％；p≤0.02％，s≤0.02％；余量為鐵和雜質。

　　上述組分是我院為特別為用于海運船舶的水泵、齒輪、管道、閥門等工件構件設計的不銹鋼，采用了較低的si含量，以降低鋼的脆性，提高塑性和韌性，由于在碳氮共滲時表面生成cr的碳化物，導致碳氮共滲后表面cr含量降低，難以再次形成鈍化膜，因而適當調高cr含量，有利于提高抗腐蝕性，la和sr均為晶粒細化劑，其中la已經被用于奧氏體不銹鋼中，而sr之前通常被用于鋁合金的晶粒細化中，此次在加入la的基礎上增加了sr，發現晶粒細化效果比單加la有所提高。

　　將上述組分的不銹鋼經熔煉，澆注得到鑄錠，經鍛造或擠壓加工工藝后得到奧氏體不銹鋼工件，隨后進行兩段式碳氮共滲處理，具體工藝為：

　　1.將奧氏體不銹鋼工件進行共滲前的去除表面鈍化膜處理；鈍化膜處理采用體積比為聚四氟乙烯：四氯化碳：氯化氫：乙醇＝(100-120)：(10-20)：(1.5-3)：(12-15)的活化劑，經加熱裂解后對工件進行吹掃活化，去除表面鈍化膜。

　　2.將奧氏體不銹鋼放入碳氮共滲爐中，抽真空到10-3pa；

　　3.通入碳氮共滲氣體，加熱碳氮共滲爐開始碳氮共滲處理，所述的碳氮共滲處理為兩段式升降溫過程，包括：

　　3.1由管路將體積組成為co：h2：nh3＝3：1：12的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，加熱到500℃-550℃，保溫5-8小時，該階段nh3分解率為30％-40％，

　　3.2隨后由管路將體積組成為co：h2：nh3＝2：1：8的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，降溫到390℃-400℃，保溫1-2小時，

　　3.3然后由管路將體積組成為co：h2：nh3＝3：1：12的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，升溫到480℃-500℃，保溫1小時，

　　3.4由管路將體積組成為co：h2：nh3＝2：1：8的碳氮共滲氣體，送入碳氮共滲爐中，降溫到390℃-400℃，保溫1.5小時后對碳氮共滲爐抽真空并充n2保護，緩冷到150℃下。

　　4.對奧氏體不銹鋼工件進行去除表面鈍化膜處理。

　　在實際研究中發現，如果采用高碳濃度碳氮共滲劑進行持續碳氮共滲，會導致活性碳原子在鋼表面富集的速度遠遠超過從表層到內部的擴散速度，導致鋼表面碳原子高度富集，形成粗大的塊狀活網狀碳化物，同時碳化物的粗大不利于促進氮的溶解形成高氮化合物，在本發明公開的碳氮共滲方法中，首先形成活性碳原子在工件表面的高濃度富集，隨后降溫，并降低氣體中碳原子的濃度，在保證表面碳原子濃度不增加的情況下，使碳原子向工件內部進行擴散，同時低溫下保溫避免了形成的碳化物長大，而細小的碳化物同時可以提高氮的溶解度，與鋼中的合金元素形成氮化物提高耐磨性，保溫過后表面碳原子濃度下降，隨后再次升溫并加大氣體中碳原子的濃度，形成活性碳原子在工件表面的再一次富集，隨后再次降溫并再次降低氣體中碳原子的濃度，如此既保證了避免表面形成粗大碳化物，導致表面過脆，又提高了促進了氮原子在鋼中從表面到內部的梯度分別，避免形成明顯的界面而造成使用過程的斷裂源。

　　以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。

　　技術特征：

　　技術總結

　　本發明公開了一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體碳氮共滲方法，包括將奧氏體不銹鋼工件進行表面鈍化膜處理，將奧氏體不銹鋼放入碳氮共滲爐中，抽真空通入碳氮共滲氣體，進行碳氮共滲處理，所述的滲碳處理為兩段式升降溫過程，實現了在高溫下活性碳/氮原子在工件表面的高濃度富集以及低溫下碳/氮原子向工件內部的順利擴散，使工件內部到表面形成均勻的碳氮原子濃度分布梯度。

　　技術研發人員：孫振田;馬飛;孫金全

　　受保護的技術使用者：機械科學研究總院青島分院

　　技術研發日：2016.12.21

　　技術公布日：2017.08.08

　　

　　本發明屬于材料表面處理技術領域，尤其是涉及一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲氮方法。

　　背景技術：

　　奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18％、Ni 8％～25％、C約0.1％時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有優良的力學性能、高韌性和塑性，可加工性以及抗腐蝕性強，被廣泛應用于化工、汽車、機械、海運及海洋構件等領域；但奧氏體不銹鋼缺點是由于含碳量極低，導致表面強度和硬度較低，抗磨損性能、抗疲勞性能低，且不可能通過相變使之強化，嚴重影響奧氏體不銹鋼的使用范圍，或是大幅度降低零工件的使用壽命。

　　滲氮是常見的對金屬表面進行強化處理的方法，在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。傳統的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內，從而改變表層的化學成分和組織，獲得優良的表面性能。但目前的滲氮工藝中，一般采用一段式或兩段式加熱方法滲氮，滲氮氣體濃度基本保持恒定，但發明人從機理出發，經研究發現，由于滲氮需要在表面到內部形成一定厚度的滲氮層，并且滲氮層的硬度值與該處滲氮層的氮含量密切相關，而材料的內部結合力又與滲氮層的硬度變化趨勢有關，因而期望得到一種由內向外，滲氮量均勻增長且合理分布的梯度變化，既能保證材料的硬度和韌性保持合理的平衡，又使材料的硬度保持合理的變化。

　　技術實現要素：

　　為解決上述技術問題，本發明提供了一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲氮方法。采取升溫和擴散保持合理的關系，使沿材料中心方向滲氮量均勻增長且合理分布。

　　本發明完整的技術方案包括：

　　一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲氮方法，包括如下步驟：

　　1)將奧氏體不銹鋼工件進行表面鈍化膜處理；

　　2)將奧氏體不銹鋼放入滲氮爐中，抽真空到10-3Pa；

　　3)通入滲氮氣體，加熱滲氮爐開始滲氮處理，所述的滲氮處理具體包括：

　　3.1高溫低濃度滲氮，在560-600℃下，經第一管路通入氨氣，所述第一管路不含有催滲劑，所述氨氣的流量為800ml/min,氨氣分解率為20-30％，保溫8-10h；

　　3.2低溫低濃度滲氮，在400-450℃下，經第一管路通入氨氣，所述氨氣的流量為1200ml/min，氨氣分解率為10-15％，保溫3-6h；

　　3.3低溫高濃度滲氮，在400-450℃下，經第二管路通入氨氣，所述第二管路含有稀土催滲劑，氨氣的流量為1800ml/min，氨氣分解率為40-50％，保溫1-2h；

　　3.4將滲氮后的不銹鋼工件置于緩冷坑中，靜置48-72h。

　　本發明相對于現有技術的優點在于：首先高溫低濃度滲氮，使活性氮原子在濃度較低情況下，借由高溫實現從表面到內部的充分擴散，以達到深度大，濃度低的氮分布，隨后采用低溫低濃度滲氮，保證表層氮原子濃度不再顯著提高前提下，進一步向內部擴散，隨后低溫高濃度滲氮，采用催滲劑催滲，顯著提高氨氣分解率，使表面形成氮原子富集，增加表面硬度，最后采用長時間緩冷的方式，使得從表層到內部的均勻化分布。

　　附圖說明

　　圖1為按本發明處理的奧氏體不銹鋼硬度及硬度分布示意圖。

　　具體實施方式

　　下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

　　選擇奧氏體不銹鋼的組分為Cr：22.3％～26.5％；Ni：6％～9％；Mo：0.3％～0.8％；C：0.02-0.06％；Mn：4％～7％；Si：1.0％～1.2％；N：0.05％～0.15％；La：0.011％-0.015％；Sr：0.009％-0.011％；Nb：0.1～0.8％；P≤0.02％，S≤0.02％；余量為鐵和雜質。

　　上述組分是我院為特別為用于海運船舶的水泵、齒輪、管道、閥門等工件構件設計的不銹鋼，采用了較低的Si含量，以降低鋼的脆性，提高塑性和韌性，由于在滲氮時表面生成Cr的碳化物，導致滲氮后表面Cr含量降低，難以再次形成鈍化膜，因而適當調高Cr含量，有利于提高抗腐蝕性，La和Sr均為晶粒細化劑，其中La已經被用于奧氏體不銹鋼中，而Sr之前通常被用于鋁合金的晶粒細化中，此次在加入La的基礎上增加了Sr，發現晶粒細化效果比單加La有所提高。

　　將上述組分的不銹鋼經熔煉，澆注得到鑄錠，經鍛造或擠壓加工工藝后得到奧氏體不銹鋼工件，隨后進行兩段式滲氮處理，具體工藝為：

　　一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲氮方法，包括如下步驟：

　　1)將奧氏體不銹鋼工件進行表面鈍化膜處理；

　　2)將奧氏體不銹鋼放入滲氮爐中，抽真空到10-3Pa；

　　1)通入滲氮氣體，加熱滲氮爐開始滲氮處理，所述的滲氮處理具體包括：

　　3.1高溫低濃度滲氮，在560-600℃下，經第一管路通入氨氣，所述第一管路不含有催滲劑，所述氨氣的流量為800ml/min,氨氣分解率為20-30％，保溫8-10h；

　　3.2低溫低濃度滲氮，在400-450℃下，經第一管路通入氨氣，所述氨氣的流量為1200ml/min，氨氣分解率為10-15％，保溫3-6h；

　　3.3低溫高濃度滲氮，在400-450℃下，經第二管路通入氨氣，所述第二管路含有稀土催滲劑，氨氣的流量為1800ml/min，氨氣分解率為40-50％，保溫1-2h；

　　3.4將滲氮后的不銹鋼工件置于緩冷坑中，靜置48-72h。

　　將滲氮后的不銹鋼制成試樣，采用顯微硬度計檢測隨爐試樣的表面硬度和硬度梯度分布，結果如圖1所示，經過常規滲氮處理的不銹鋼滲碳層表面硬度為1085HV，滲氮厚度為60μm左右，且從表面到中心分布不均勻。而經過本發明采用三段式變溫變濃度滲氮處理的奧氏體不銹鋼滲碳層厚度達到60μm，表面硬度達到1075HV，且從表層到中心的分布比較平滑，避免了硬度劇烈變化帶來的問題。

　　以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。

　　技術特征：

　　1.一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲氮方法，包括如下步驟：

　　1)將奧氏體不銹鋼工件進行表面鈍化膜處理；

　　2)將奧氏體不銹鋼放入滲氮爐中，抽真空到10-3Pa；

　　3)通入滲氮氣體，加熱滲氮爐開始滲氮處理，所述的滲氮處理具體包括：

　　3.1高溫低濃度滲氮，在560-600℃下，經第一管路通入氨氣，所述第一管路不含有催滲劑，所述氨氣的流量為800ml/min,氨氣分解率為20-30％，保溫8-10h；

　　3.2低溫低濃度滲氮，在400-450℃下，經第一管路通入氨氣，所述氨氣的流量為1200ml/min，氨氣分解率為10-15％，保溫3-6h；

　　3.3低溫高濃度滲氮，在400-450℃下，經第二管路通入氨氣，所述第二管路含有稀土催滲劑，氨氣的流量為1800ml/min，氨氣分解率為40-50％，保溫1-2h；

　　3.4將滲氮后的不銹鋼工件置于緩冷坑中，靜置48-72h。

　　技術總結

　　本發明公開了一種奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲氮方法，包括奧氏體不銹鋼工件進行表面鈍化膜處理；奧氏體不銹鋼放入滲氮爐中，抽真空通入滲氮氣體，加熱滲氮爐開始滲氮處理，所述的滲氮處理具體包括高溫低濃度滲氮，低溫低濃度滲氮，低溫高濃度滲氮，緩冷等步驟，本發明實現了氮原子從表層到內部的均勻化分布。

　　技術研發人員：孫振田;馬飛;孫金全

　　受保護的技術使用者：機械科學研究總院青島分院

　　文檔號碼：201611193541

　　技術研發日：2016.12.21

　　技術公布日：2017.05.10