一种不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及材料表面处理技术，具体为一种能够抑制渗层脆性开裂的具有一定厚度、硬度的不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层及其制备方法和应用，可作为双密封、双紧固支撑的双保险高强度耐压双卡套式管接头中，由不锈钢制成的后卡套的表面功能性强化层得到应用。在不锈钢表面上液体渗氮、等离子热处理以及液体氧化处理，获得具有良好抑制渗层脆性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧层。所述强韧层的硬度在Hv0.1400-700范围内，强韧层的厚度在30-80微米范围内。它是能够调整不锈钢表面渗氮层硬度、厚度和组成的复合表处理工艺技术，解决不锈钢制成的管道连接用后卡套的表面功能性强化和耐腐蚀的问题。

说明书

技术领域：

本发明涉及材料表面处理技术，具体为一种能够抑制渗层脆性开裂的具有一 定厚度、硬度的不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层及其制备方法和应用，可作为双 密封、双紧固支撑的双保险高强度耐压双卡套式管接头中，由不锈钢制成的后卡 套的表面功能性强化层得到应用。

背景技术：

卡套式管接头是一种便捷、可靠，易于安装拆卸的中高压管路的联接方式。 最早由德国ERMETO公司于1930年发明，经过半个多世纪的发展，卡套式管接 头已成为世界上最为先进的一种管接头。由于其独特的卡套连接原理，结构合理、 使用方便，不需要扩口、不需焊接，也不需任何特殊的装配工具。目前，卡套式 管接头广泛应用于油、气及腐蚀性介质的管路系统中，工作压力高达40MPa。因 此，被广泛应用于化工、机械、电子、电力、航天、军工、医药、轻工和科研等 行业。

双卡套式管具有优良的品质，优美的外观，优秀的“0”泄漏的密封性能。因 此，异军突起，在机械、液压、空调、航天等领域大展身手，成为一种优秀的管 路连接方式。双卡套式管接头在我国的应用从上世纪80年代引进国外产品开始， 已经有20多年的历史。随着我国工业化水平的不断提高，其应用范围不断扩大， 需求量不断增加，同时，其独特可靠的性能优势正在被社会认识和接受。从上世 纪90年代以来，我国国内许多企业开始仿制生产，但产品性能与国外进口产品相 比仍差距很大，很多要求较高的企业还是要花高价从国外进口，并且需求量很大。

中国发明专利ZL 200710012807.7提供了一种富Cr离子渗氮层及其制备方法 和应用，该发明利用离子渗氮技术在不锈钢表面获得一定厚度、硬度和成分的离 子渗层。在离子渗过程中通过调整离子渗功率、氨气以及氩气流量的变化，获得 具有良好抑制渗层脆性开裂性能的富Cr渗氮强化层。通过该专利技术处理后的卡 套性能已经能够满足实际需求，但是该专利技术存在着生产效率相对低，产品质 量难以控制的问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层及其制备方法 和应用，它是能够调整不锈钢表面渗氮层硬度、厚度和组成的复合表处理工艺技 术，解决不锈钢制成的管道连接用后卡套的表面功能性强化和耐腐蚀的问题。

本发明的技术方案是：

一种不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层，在不锈钢表面上液体渗氮、等离子热 处理以及液体氧化处理，获得具有良好抑制渗层脆性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧 层；所述强韧层的硬度在Hv_0.1400-700范围内，强韧层的厚度在30-80微米范 围内；所述强韧层包括表面氧化层和渗氮强化层，表面氧化层的厚度为3-6微米。

所述不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层的制备方法，以不锈钢为基底材料，利 用液体渗氮技术首先获得表面渗氮强化层，接着通过等离子热处理来改善表面渗 氮强化层的韧性，最后经液体氧化处理提高其表面耐腐蚀性能，在不锈钢表面获 得具有良好抑制渗层脆性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧层，具体步骤如下：

(1)除去合金(工件)表面上的油污，在有机溶剂中超声清洗5-10分钟；

(2)将洗净后的工件装入加热到570±5℃的液体氮化炉的炉腔内；

(3)到温后保温40-60分钟，由液体氮化炉中取出空冷、水冷或油冷，在 70-90℃热水中将工件清洗干净并干燥；

(4)将干燥后的工件置入等离子热处理炉中，将真空室抽真空至1Pa-5Pa， 通氩气使得真空室内压力至5Pa-10Pa范围内，给工件加负偏压由0伏逐渐升至 700-800伏进行离子轰击清洗3-5分钟(即匀速升压同时进行离子轰击清洗，负偏 压升至700-800伏时清洗完毕)；

(5)调整氩气流量使得真空室内压力至100Pa-800Pa、给工件加负偏压由0 并逐渐匀速升高至420-650伏，同时通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到570 ℃-600℃，保温50分钟-80分钟，随炉冷却至200℃以下取出，进行机械抛光；

(6)将机械抛光后的工件在加热到350℃-400℃的液体氧化炉中保温10-30 分钟，从液体氧化炉中取出并水洗、干燥，从而在不锈钢表面获得具有良好抑 制脆性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧层。

所述的去除油污是将工件浸入三氯乙烯有机溶液中进行刷洗，超声清洗是把 工件放入三氯乙烯有机溶液中通过超声波清洗机清洗。

本发明不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层应用于不锈钢制成的管道连接用后 卡套的表面功能性处理。

本发明中，液体氮化炉、等离子热处理炉和液体氧化炉均为常规技术。例 如：液体氮化炉的规格型号是YTD60-60/35KW，生产厂家是沈阳兴沈电热设备 制造公司。等离子热处理炉的规格型号是IMR-PH500/25，中国科学院金属研究 所生产。液体氧化炉的规格型号是YTD60-60/25KW，生产厂家是沈阳兴沈电热 设备制造公司。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明利用耐腐蚀氧氮化强韧层高硬度，良好的耐腐蚀性能以及较常规 渗氮层得到大幅度改善的渗层塑韧性，采用液体渗氮技术、等离子热处理以及液 体氧化处理在不锈钢合金基材表面上获得耐腐蚀氧氮化强韧层，从而可以得到能 够提高渗层与基体之间结合强度高、能有效抑制渗层的开裂和剥落的高强度、耐 腐蚀氧氮化层。

2、本发明采用液体渗氮技术、等离子热处理以及液体氧化处理获得的耐腐 蚀氧氮化强韧层作为工作温度低于560℃、工作压力低于40MPa，腐蚀环境条件 下的不锈钢制管道连接用后卡套的表面功能性强化。其处理技术可靠，便于大批 量生产，产品质量容易控制，所需设备简单，投资少。

3、采用本发明制备的耐腐蚀氧氮化强韧层具有优良的综合性能，强韧层的 硬度在Hv_0.1400-700范围内、强韧层的厚度在30-80微米范围内可调。这种耐 腐蚀氧氮化强韧层的主要优点有：(1)强韧层与基体之间的结合强度高；(2)可 以有效地抑制强韧层开裂和剥落；(3)适当的表面强度、良好的塑韧性和耐腐蚀 性能；(4)优越的抗疲劳性能。

附图说明：

图1氧氮化处理后不锈钢制管道连接用后卡套照片。

图2实施例1耐腐蚀氧氮化强韧层的断面形貌。

具体实施方式：

实施例1

经过表面去除油污、在三氯乙烯有机溶剂中超声清洗10分钟后，将304不锈 钢后卡套取出并置入加热到575℃的液体氮化炉的炉腔(氮化炉使用的液体原料 为亚星热处理材料有限公司生产的CJ-1氮化盐)内，保温40分钟，由液体氮化 炉中取出水冷，在80℃热水中将工件清洗干净并干燥；将干燥后的工件置入等 离子热处理炉中，将真空室抽真空至1Pa，通氩气使得真空室内压力至5Pa，给 工件加负偏压由0伏逐渐匀速升至800伏进行离子轰击清洗3分钟；调整氩气流 量使得真空室内压力至200Pa、给工件加负偏压由0并逐渐匀速升高至600伏， 同时通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到590℃，保温60分钟，随炉冷却至180 ℃取出，进行机械抛光；将机械抛光后的工件在加热到380℃的液体氧化炉(氧 化炉使用的液体原料为亚星热处理材料有限公司生产的Y-1氧化盐)中保温30 分钟，从液体氧化炉中取出并水洗、干燥，从而在不锈钢表面获得具有良好抑 制胞性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧层。如图1所示，液体氧氮化处理后不锈钢制管 道连接用后卡套照片。如图2所示，实施例1耐腐蚀氧氮化强韧层的断面形貌。 其中，渗氮强化层中的主要组织为M2-4(SNC)相，M为Fe、Cr等可氮化元素； 在表面氧化层中，主要存在着Cr₂O₃、Fe₃O₄相均匀分布，表面氧化层的厚度大 约为5微米。

本发明对制备好的渗氮试样进行了硬度和厚度测试，具体测试方法如下：

测试设备：日本制造SHIMAZU M84207型显微硬度计；载荷：100gf；

加载时间：15秒；具体操作方法如下：首先用丙酮将试样表面清洗干净，然 后把试样放在玻璃板上(测定面向上)，确定试样与玻璃板之间无间隙后，一块儿 放到载物台上，先用400倍显微镜观察试样表面，确定测定硬度部位，然后自动 加载100gf保持15秒，标定压痕对角线长度，打印出硬度值，每个样品测三点取 平均值。另外，利用同一设备还测定了强韧层的厚度，测试结果均列于表1。

本发明利用盐雾试验对氧氮化强韧层的耐腐蚀性能进行了评价，结果列于 表2。

表1实施例1耐腐蚀氧氮化强韧层的硬度和厚度

  试样编号   强韧层表面硬度(Hv_0.1)   基体硬度(Hv_0.1)   强韧层厚度(μm)   1   572   320   43   2   603   325   46   3   588   316   47

表2实施例1氧氮化强韧层的盐雾试验结果

  试样种类   开始生锈时间   耐腐蚀性能相对比值   304不锈钢液体氧氮化   210小时   1   304不锈钢   28小时   2/15

实施例2

与实施例1不同之处在于：

经过表面去除油污、在三氯乙烯有机溶剂中超声清洗5分钟后，将316不锈 钢后卡套取出并置入加热到570℃的液体氮化炉的炉腔(氮化炉使用的液体原料 为亚星热处理材料有限公司生产的CJ-1氮化盐)内，保温50分钟，由液体氮化 炉中取出空冷，在70℃热水中将工件清洗干净并干燥；将干燥后的工件置入等 离子热处理炉中，将真空室抽真空至5Pa，通氩气使得真空室内压力至10Pa， 给工件加负偏压由0伏逐渐匀速升至700伏进行离子轰击清洗5分钟；调整氩气 流量使得真空室内压力至800Pa、给工件加负偏压由0并逐渐匀速升高至420伏， 同时通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到600℃，保温50分钟，随炉冷却至190 ℃取出，进行机械抛光；将机械抛光后的工件在加热到400℃的液体氧化炉(氧 化炉使用的液体原料为亚星热处理材料有限公司生产的Y-1氧化盐)中保温10 分钟，从液体氧化炉中取出并水洗、干燥，从而在不锈钢表面获得具有良好抑 制脆性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧层。

本发明对制备好的耐腐蚀氧氮化处理后试样的强韧层硬度和厚度进行了测 定，测定结果为强韧层表面硬度Hv_0.1430，强韧层厚度76微米(其中，表面氧 化层的厚度大约为6微米，其余为渗氮强化层)，盐雾试验结果优于210小时。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

经过表面去除油污、在三氯乙烯有机溶剂中超声清洗8分钟后，将304不锈 钢后卡套取出并置入加热到565℃的液体氮化炉的炉腔(氮化炉使用的液体原料 为亚星热处理材料有限公司生产的CJ-1氮化盐)内，保温60分钟，由液体氮化 炉中取出油冷，在90℃热水中将工件清洗干净并干燥；将干燥后的工件置入等 离子热处理炉中，将真空室抽真空至3Pa，通氩气使得真空室内压力至8Pa，给 工件加负偏压由0伏逐渐匀速升至760伏进行离子轰击清洗4分钟；调整氩气流 量使得真空室内压力至100Pa、给工件加负偏压由0并逐渐匀速升高至650伏， 同时通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到570℃，保温80分钟，随炉冷却至200 ℃取出，进行机械抛光；将机械抛光后的工件在加热到350℃的液体氧化炉(氧 化炉使用的液体原料为亚星热处理材料有限公司生产的Y-1氧化盐)中保温20 分钟，从液体氧化炉中取出并水洗、干燥，从而在不锈钢表面获得具有良好抑 制脆性开裂的耐腐蚀氧氮化强韧层。

本发明对制备好的耐腐蚀氧氮化处理后试样的强韧层硬度和厚度进行了测 定，测定结果为强韧层表面硬度Hv_0.1690，强韧层厚度32微米(其中，表面氧化 层的厚度大约为3微米，其余为渗氮强化层)，盐雾试验结果优于210小时。

实施例结果表明，本发明不锈钢表面耐腐蚀氧氮化强韧层，首先通过在一定 时间内于发定温度下的氮化融盐中进行液体渗氮，然后通过等离子热处理改善渗 层的脆性，使得强韧层具有恰当的硬度和厚度，最后经过液体氧化处理来提高工 件的表面耐腐蚀性能，在不锈钢工件表面获得具有良好抑制渗层脆性开裂的耐腐 蚀氧氮化强韧层，其强韧层硬度在Hv_0.1400-700范围内、强韧层厚度在30-80 微米范围内可调。