一種提高奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳速度的催滲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一種提高奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳速度的催滲方法，屬化學(xué)熱處理技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等領(lǐng)域，是目前用量最大的耐蝕金屬材料。但是奧氏體不銹鋼存在一個(gè)非常明顯的不足就是這種材料的強(qiáng)度不高，直接表現(xiàn)為低的表面硬度、耐磨性能和抗疲勞性能，嚴(yán)重影響其使用范圍和使用壽命，進(jìn)行表面強(qiáng)化處理十分必要。
[0003]過去，工業(yè)應(yīng)用的奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)化方式主要有離子注入、表面沉積、熱噴涂以及化學(xué)熱處理等。這些表面強(qiáng)化技術(shù)都不同程度地存在著不足，如，離子注入法存在注入層淺、視覺效應(yīng)及難以大規(guī)模生產(chǎn)等問題，表面沉積(電沉積、化學(xué)沉積、氣相沉積等)和熱噴涂處理存在覆層與基體之間結(jié)合力較低的問題，而且，這些方法制備的覆層無(wú)法保證完全致密，腐蝕介質(zhì)一旦穿過表層滲入界面，將會(huì)造成嚴(yán)重的電偶腐蝕;常規(guī)化學(xué)熱處理(如滲碳、滲氮等)，因滲碳(氮)而引起奧氏體不銹鋼耐蝕性下降，大大限制了該方法在奧氏體不銹鋼領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0004]上世紀(jì)八十年代，荷蘭學(xué)者B.H.Kolster發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼在較低溫度下滲入碳(氮)原子不僅可以大幅度提高不銹鋼的硬度，而且不會(huì)造成其耐腐蝕性能的下降，從而發(fā)展起奧氏體不銹鋼的低溫滲碳(氮)技術(shù)。目前奧氏體不銹鋼在臨界溫度之下低溫硬化處理方法主要有氣體法、離子法。鑒于工藝過程的特性，真正適用于復(fù)雜零件批量處理的工藝是滲碳工藝，尤以氣體法更優(yōu)。實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼低溫氣體耐蝕滲碳強(qiáng)化在技術(shù)上的主要障礙有兩點(diǎn):一是奧氏體不銹鋼表面鈍化膜的去除。奧氏體不銹鋼實(shí)現(xiàn)其耐腐蝕性能的關(guān)鍵是表面可生成連續(xù)致密的Cr203鈍化膜，但這層致密膜又成為阻礙滲碳過程中C原子向基體內(nèi)擴(kuò)散的主要因素。因此，滲碳處理時(shí)必須去除Cr203鈍化膜并保證在整個(gè)工藝過程中不再重新生成。目前，這一技術(shù)已有突破，并有專利報(bào)道，同時(shí)，以美國(guó)Swagelok公司為首的一些廠家已在歐美國(guó)家獲得工業(yè)應(yīng)用。妨礙奧氏體不銹鋼低溫氣體耐蝕滲碳推廣應(yīng)用的另一障礙是強(qiáng)化處理周期過長(zhǎng)的問題。為了防止?jié)B碳處理時(shí)滲層中的Cr與C反應(yīng)生成Cr203使得基體的Cr含量下降，從而導(dǎo)致不銹鋼耐蝕性降低，必須在Cr的碳化物形成溫度之下的較低溫度(如低于500°C)進(jìn)行耐蝕滲碳處理，這就大大延長(zhǎng)了滲碳周期(一般需進(jìn)行數(shù)十小時(shí)甚至上百小時(shí)才可能得到有實(shí)用價(jià)值的滲碳層)，增加了生產(chǎn)成本，影響該技術(shù)的擴(kuò)大應(yīng)用。
[0005]在實(shí)現(xiàn)了表面鈍化膜的有效去除之后，奧氏體不銹鋼低溫耐蝕強(qiáng)化處理的關(guān)鍵是如何有效提高該工藝的處理效率，以適應(yīng)不銹鋼應(yīng)用發(fā)展的需要，目前，這一問題并未得到有效解決。稀土是一類化學(xué)性質(zhì)非常特殊的金屬元素，稀土及稀土化合物用于冶金過程已有多年的歷史，在化學(xué)熱處理領(lǐng)域也有不少應(yīng)用，主要用來(lái)提高熱處理效率，如稀土催滲的氣體滲碳、離子滲氮等。但是，稀土作為催滲元素用于化學(xué)熱處理工藝的現(xiàn)有技術(shù)，其處理溫度均在500°C以上(如滲碳在900°C左右，滲氮在520?560°C)，到目前為止，未見有奧氏體不銹鋼在低于500°C的低溫滲碳過程采用稀土催滲處理的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種提高奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳速度的催滲方法，通過采用氯化稀土作為低溫滲碳的催滲元素，達(dá)到在低于500°C的低溫條件下的催滲效果，并且，該氯化稀土催滲元素在滲碳?xì)夥罩蟹纸獬龅奈⒘柯仍啬苡行б种茲B碳過程中不銹鋼表面鈍化膜的形成，從而顯著縮短了低溫滲碳處理的周期，提高奧氏體不銹鋼耐蝕強(qiáng)化的處理效率和奧氏體不銹鋼表面硬度。
[0007]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]本發(fā)明一種提高奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳速度的催滲方法，是將奧氏體不銹鋼進(jìn)行有效前處理和表面鈍化膜去除之后，滲碳爐溫保持在450°C?470°C的低溫條件下，采用混合滲碳劑對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行氣體滲碳處理，所述混合滲碳劑由氣相滲碳劑和液相稀土催滲劑組成，所述氣相滲碳劑由C0、H#PN2組成;所述液相稀土催滲劑由氯化稀土與甲醇的溶液組成;該氣相滲碳劑和液相稀土催滲劑的溶劑甲醇在滲碳爐內(nèi)氣化后產(chǎn)生的氣體共同構(gòu)成滲碳爐氣，其液相稀土催滲劑的稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為滲碳爐氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.8?1.5%，根據(jù)單位體積氣相滲碳劑的質(zhì)量和單位體積基準(zhǔn)液相稀土催滲劑稀土元素的質(zhì)量，再按滲碳爐氣中稀土元素所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，計(jì)算求得需要對(duì)應(yīng)加入的既含稀土元素，又可氣化為滲碳爐氣的基準(zhǔn)液相稀土催滲劑的數(shù)量;所述氣相滲碳劑和液相稀土催滲劑分別通過管路計(jì)量、滴注計(jì)量，同時(shí)向滲碳爐中送入，保持處理24?48h，在原氣氛中爐冷至150°C以下，即可在奧氏體不銹鋼獲得表面硬度為850HV?1200HV的耐蝕強(qiáng)化滲碳層。
[0009]所述由⑶、HdPN2組成的氣相滲碳劑，其按體積分?jǐn)?shù)的組成為(35%?15 % )C0+10%Η2+(55% ?75%)Ν2。
[00?0]所述液相稀土催滲劑的氯化稀土為單一氯化稀土或混合氯化稀土。
[0011]所述氯化稀土按平均分子量為246?247、其稀土元素平均原子量為139?140計(jì)笪并ο
[0012]本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0013]本發(fā)明是奧氏體不銹鋼低溫耐蝕氣體滲碳技術(shù)的發(fā)展與提升。本發(fā)明充分利用稀土元素高負(fù)電性、高活性的特點(diǎn)，加快了物理冶金反應(yīng)過程，加速了低溫條件下C原子在奧氏體中的擴(kuò)散速率，提高了奧氏體不銹鋼低溫耐蝕氣體滲碳的速度，大幅度縮短了滲碳周期。本發(fā)明將固態(tài)稀土化合物液態(tài)化，并采用一種便捷的方式滴注送入滲碳爐內(nèi)，在滲碳罐中實(shí)現(xiàn)氣相催滲劑與液相催滲組分的混合，達(dá)到對(duì)奧氏體不銹鋼低溫滲碳進(jìn)行稀土催滲的目的。本發(fā)明采用氯化稀土作為催滲元素，不僅達(dá)到了催滲效果，而且在滲碳過程中，滲碳?xì)夥罩蟹纸獬龅奈⒘柯仍?，可以很好地防止不銹鋼表面在微氧含量氣氛中可能生成的Cr203，抑制鈍化膜的形成。本發(fā)明提高了奧氏體不銹鋼耐蝕強(qiáng)化的處理效率，降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0014]圖1本發(fā)明滲碳處理工藝流程示意圖；
[0015]圖2按本發(fā)明處理的AISI316奧氏體不銹鋼滲碳層金相組織示意圖；
[0016]圖3按本發(fā)明處理的AISI316奧氏體不銹鋼硬度及硬度分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明是如何實(shí)施的:
[0018]1、配制氣相滲碳劑:
[0019]氣相滲碳劑按體積分?jǐn)?shù)的組成為(35%?15%)C0+10%H2+(55%?75%)N2，氣相催滲劑的平均分子量通過下式28 X 25 % +2 X 10 % +28 X 65 %計(jì)算為25.4，按計(jì)算式25.4 +22.4 = 1.13，計(jì)算得到以升為單位的氣相催滲劑的質(zhì)量為1.13g/Lo
[0020]2、配制液相稀土催滲劑:
[0021]1)配制基準(zhǔn)液相稀土催滲劑:
[0022]在攪拌條件下，將20g氯化稀土(ReCl3)完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催滲劑，計(jì)算得到以毫升為單位的基準(zhǔn)液相稀土催滲劑的氯化稀土、稀土元素的質(zhì)量分別為氯化稀土0.2g/ml，稀土元素0.llg/mlo
[0023]2)按照滲碳爐氣中稀土元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，計(jì)算求得需要對(duì)應(yīng)滴注加入的基準(zhǔn)液相稀土催滲劑的數(shù)量:
[0024]以上述每升氣相催滲劑的質(zhì)量為1.13g、每毫升基準(zhǔn)液相稀土催滲劑中含稀土元素0.1 lg為依據(jù)，按液相稀土催滲劑的甲醇密度為0.79計(jì)算，即可計(jì)算得到按滲碳爐氣中
0.8%?1.5%的稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所需要對(duì)應(yīng)滴注加入的既含稀土元素，又可氣化為滲碳爐氣的基準(zhǔn)液相稀土催滲劑的毫升數(shù)。
[0025]例如:按向滲碳爐中通入的稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為滲碳爐氣的1%計(jì)，設(shè)每通入1L氣相滲碳組分需滴注送入液相稀土催滲劑為X ml，其甲醇密度以0.79計(jì)算，每mL基準(zhǔn)液相稀土催滲劑之稀土元素的質(zhì)量為0.llx(g)，滲碳爐氣質(zhì)量為1.13+0.7辦&)，有下式:0.1& +(1.13+0.79x) = l%
[0026]解得:x= 0.ll(ml)
[0027]即求得:每通入1L上述氣相滲碳組分，需滴注送入的基準(zhǔn)液相稀土催滲劑為
0.llmlo
[0028]關(guān)于通入滲碳爐中的氣體流量，如業(yè)內(nèi)常規(guī):通入滲碳爐中的氣體流量與滲碳爐罐的容積相關(guān)，每小時(shí)通入滲碳爐中氣相滲碳劑的總體積應(yīng)為滲碳爐罐容積的3?7倍，大型爐取下限，小型爐取上限。
[0029]實(shí)施例1:AISI316奧氏體不銹鋼低溫氣體氯化鑭催滲滲碳。
[0030]1、配制氣相滲碳劑:
[0031 ] 按氣相滲碳劑體積分?jǐn)?shù)組成為(35%?15% )C0+10%H2+(55%?75 % )N2，配制氣相滲碳劑，所得到的單位體積氣相催滲劑的質(zhì)量為1.13g/L0
[0032]2、配制液相稀土催滲劑:
[0033]由氯化稀土與甲醇溶液組成的液相稀土催滲劑，其氯化稀土采用分子量約246的氯化鑭(LaCl3);在攪拌條件下，將20g氯化鑭完全溶解于100ml甲醇中，配制成液相稀土催滲劑，得到單位體積液相稀土催滲劑質(zhì)量為:氯化鑭0.2g/ml，對(duì)應(yīng)鑭元素0.llg/ml。
[0034]3、進(jìn)行奧氏體不銹鋼低溫氣體催滲滲碳處理:
[0035]采用的液相稀土催滲劑的稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為滲碳爐氣的1%。滲碳處理工藝流程如下:(如圖1所示)
[0036]1)去除待處理的AISI316奧氏體不銹鋼制工件及隨爐檢測(cè)試樣表面的油漬，放入專用奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳爐中，關(guān)閉爐蓋，排除爐內(nèi)空氣并升溫；
[0037]2)升溫至250°C，通入含有鹵素成分的預(yù)處理混合氣，保溫2h，進(jìn)行去除奧氏體不銹鋼表面Cr203鈍化膜處理；
[0038]3)升溫至470°C，將上述配制的質(zhì)量為1.13g/L的氣相滲碳劑，由管路計(jì)量送入滲碳爐中(根據(jù)滲碳爐罐的容積確定氣相滲碳劑流量)，每通入1L上述氣相滲碳劑，對(duì)應(yīng)滴注送入滲碳爐的上述液相氯化鑭催滲劑為0.1 lml，如此處理48h。隨著滲碳時(shí)間延長(zhǎng)，可逐漸降低C0比例、提高N2比例，由于⑶與他分子量相同，不影響通入氣體的質(zhì)量。
[0039]4)停止加熱、停止供