奥氏体不锈钢耐腐蚀表面硬化技术

奥氏体不锈钢（如316、304、321、201等）具有良好的耐蚀性，已广泛应用于石油、化工、医药、食品、通讯、电子、精密机械以及装饰等工业领域，但表面硬度低（退火态硬度一般为180~210HV）、耐磨性差，不能用于对耐磨性要求较高的场合。由于奥氏体不锈钢中的奥氏体相具有很好的热稳定性，淬火等热处理手段不能改善其硬度，传统的做法是在500℃以上进行渗氮或在800℃以上进行渗碳来大幅度提高奥氏体不锈钢的表面硬度，但耐腐蚀性急剧下降，如何在不降低奥氏体不锈钢耐蚀性的前提下对奥氏体不锈钢表面进行硬化（简称“耐蚀表面硬化”）已成为表面工程技术领域研究的热点课题之一。上世纪八十年代中期，英国伯明翰大学的T.Bell等人首次发现奥氏体不锈钢在较低温度下（350~450℃）进行离子渗氮，能形成单一的氮扩大奥氏体相（S相），既可以得到一定的表面硬度又保证了耐腐蚀性，为奥氏体不锈钢耐蚀表面硬化技术的发展提供了一种思路。进一步研究发现，奥氏体不锈钢在较低温度下（450~550℃）进行渗碳，能形成单一的碳扩大奥氏体相，同样可以达到既耐腐蚀又耐磨的目的，而且耐腐蚀性和韧性还优于低温渗氮。目前，奥氏体不锈钢耐蚀表面硬化的研究与工业化应用主要集中在两方面：（1）低温气体渗；（2）低温离子渗。由于奥氏体不锈钢表面存在致密Cr2O3钝化层，严重阻碍N、C渗入，因此传统气体渗很难处理奥氏体不锈钢，新型的低温气体渗工艺一般先用含有卤素气体或卤化物气体的气氛，如F、HF、NF3和HCl等对奥氏体不锈钢做表面活化以去除钝化层，然后再进行硬化。低温离子渗因为有等离子体参与处理过程，通过强电场下的离子轰击就可以达到去除工件表面钝化层的目的，因此容易对奥氏体不锈钢进行加硬。

国外奥氏体不锈钢耐蚀表面硬化技术工业应用情况

经过最近二十多年的发展，欧洲、美国和日本在奥氏体不锈钢耐蚀表面硬化技术方面走在前列，部分工艺已形成工业化应用。Kolstering工艺影响最大，已在欧洲和北美形成规模化工业应用。该工艺20年前由荷兰人Kolster发明并创立公司，率先在欧洲实现工业应用，后被国际热处理行业知名企业Bodycoat收购，2003年该工艺被介绍到北美。Kolsterising工艺的核心内容是较低温度下，通过一定时间的气体渗碳处理来获得碳扩散强化层。主要特色是通过特殊的预处理方法去除奥氏体不锈钢表面的钝化层，并保证在整个渗碳处理过程中，其表面不生成新的钝化层。这种特殊的预处理方法目前还处于保密状态。奥氏体不锈钢经Kolsterising处理后表面显微硬度可达1000～l200HV0.05，常规耐蚀性能没有下降，耐孔蚀性和耐应力腐蚀开裂性能明显改善。Kolsterising细分为三种工艺：（1）硬化层深度为22μm；（2）硬化层深度33μm；（3）特殊的双联工艺。双联工艺主要是针对非奥氏体不锈钢材料，通过将非奥氏体不锈钢加热到共析温度以上使得非奥氏体转变为奥氏体，再淬火形成常温下的奥氏体结构，然后进行硬化。本文前言中提到，奥氏体不锈钢表面钝化层阻碍N、C渗入，因此低温气体渗时一般先用腐蚀性气氛做表面活化以去除钝化层，然后再进行硬化。日本Citizen公司的全钢硬化（Duratect）工艺、日本Airwater公司的的NV超级渗氮和NVPionite工艺、美国Swagelok公司的SAT12工艺都采用这种方法。以SAT12为例来说明低温气体渗工艺过程。SAT12也被称为低温超饱和(LTCSS)渗碳工艺，在渗之前和渗的过程中有两次表面活化（去钝化层）工序，用的是腐蚀性气氛HCl。