几种不锈钢低温等离子体渗氮技术研究

摘要

奥氏体不锈钢耐蚀性能优异，是现代工业常用的工程材料。然而，硬度低、耐磨性差严重影响了它的使用寿命。奥氏体不锈钢的常规渗氮工艺由于温度高（T>500℃），导致器件表面有大量的含Cr氮化物析出，虽然提高了耐磨性但耐蚀性却显著降低。近年来，低温等离子体渗氮技术在不降低耐蚀性的前提下可以提高不锈钢的耐磨性，很好地解决了这一问题。 本文对三种奥氏体不锈钢AISI316L、AISI321和AISI904L以及双相不锈钢SAF2205进行了低温等离子体渗氮处理。采用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、电化学工作站、显微硬度计和摩擦磨损试验机等设备研究分析了渗氮温度对试验材料渗层的相组成、微结构、耐蚀性和耐磨性的影响，取得了如下的几点研究结果： (1)对三种奥氏体不锈钢AISI316L、AISI321和AISI904L，在360℃进行低温等离子体渗氮处理，其表面渗层均可以获得单一的S相。经分析S相在光镜下为白亮色，是一种氮（N）的间隙型过饱和膨胀奥氏体，其N浓度高达22.2at.%，晶格常数增大9.7%。S相的(200)晶面间距膨胀了11.7%，比其它晶面要高。由于晶格畸变，S相硬度高达868HV0.05，是基体的3倍。 (2)不锈钢低温等离子体渗氮后，磨损机制由以粘着磨损为主，转变为以氧化磨损为主，耐磨性显著提升，磨痕宽度减小到渗氮前的1/3。随着渗氮温度升高，渗层厚度增加并有析出物产生，硬度和耐磨性继续提升，其中AISI904L的耐磨性提升最为显著。 (3)S相的存在使不锈钢的耐蚀性能提高，尤其是耐点蚀性能。380℃渗氮后，AISI316L的点蚀电位由0.37V增大到0.59V，AISI321甚至已观察不到点蚀击穿特征。S相是亚稳相，随着渗氮温度的提高S相会分解成γ相、α相和氮化物，渗层耐蚀性能降低。三种奥氏体不锈钢AISI321、AISI316L和AISI904L形成的S相的分解速度依次增加。 (4)综合考虑耐蚀性和耐磨性，在本文的研究范围内AISI316L、AISI321和AISI904L三种不锈钢的最佳渗氮温度分别为380℃、360℃和450℃。 (5)由于N在铁素体中的固溶度低，双相不锈钢SAF2205渗氮时，渗入的N易与Cr结合生成稳定的氮化物，从而造成贫Cr，很难形成S相。这样，SAF2205渗氮后尽管耐磨性比较高但耐蚀性下降。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 不锈钢基本知识

1.2.1 不锈钢的耐腐蚀机制

1.2.2 不锈钢的分类

1.2.3 不锈钢中的主要合金元素

1.3.1 等离子体渗氮原理

1.3.2 等离子体渗氮技术的发展

1.3.3 等离子体渗氮新技术

1.4 不锈钢低温等离子体渗氮技术

1.4.1 渗层的显微组织

1.4.2 S相的晶体结构

1.4.3 S相的耐磨与耐蚀性能

1.4.4 双相不锈钢的低温等离子体渗氮

1.4.5 不锈钢低温等离子体渗氮发展趋势

1.4.6 低温等离子体渗氮的工业应用

1.5 研究内容与目的

第2章 试验过程

2.1 试验材料

2.2 等离子体渗氮装置

2.3 等离子体渗氮工艺参数

2.4.1 显微组织分析

2.4.2 耐磨性能分析

2.4.3 耐蚀性能分析

第3章 试验结果与讨论

3.1 不锈钢低温渗氮层组织结构分析

3.1.1 相组成分析

3.1.2 微结构分析

3.1.3 氮浓度分析

3.2.1 盐雾试验

3.2.2 电化学试验

3.3.1 渗氮层硬度分析

3.3.2 渗氮层摩擦磨损行为分析

结论

参考文献

致谢