阅读说明：本技术 一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法 (Method for low-temperature nitrocarburizing of austenitic stainless steel surface ) 是由 李丹 王伟 吴俊平 马景云 周海鹏 范祥森 刘小海 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法,包括如下步骤：第一步：将奥氏体不锈钢进行固溶处理；第二步：将固溶处理后的奥氏体不锈钢放入真空加热炉中,且所述真空加热炉内放置可热分解的破膜剂,对炉内奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理；第三步：待炉内破膜结束后,将所述真空加热炉温度升至430～450℃后,向所述真空加热炉内通入NH<Sub>3</Sub>与CO,且NH<Sub>3</Sub>以1～2L/min,CO以0.5～2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将炉内压力设置为70000～90000Pa,并进行低温氮碳共渗20～30h。解决了现有技术中,奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性比较差的技术问题。(The invention discloses a method for low-temperature nitrocarburizing on the surface of austenitic stainless steel, which comprises the following steps: the first step is as follows: carrying out solution treatment on austenitic stainless steel; the second step is that: putting the austenitic stainless steel after the solution treatment into a vacuum heating furnace, placing a thermally decomposable film breaking agent in the vacuum heating furnace, and carrying out three-stage film breaking treatment on the austenitic stainless steel in the furnace; the third step: after the membrane breaking in the furnace is finished, raising the temperature of the vacuum heating furnace to 430-450 DEG CIntroducing NH into the vacuum heating furnace 3 With CO, and NH 3 Introducing CO into the vacuum heating furnace at a speed of 1-2L/min and 0.5-2L/min; and setting the pressure in the furnace to be 70000-90000Pa, and performing low-temperature nitrocarburizing for 20-30 h. The technical problem that the hardness and the wear resistance of the austenitic stainless steel are poor in the prior art is solved.)

一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，尤其涉及一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法。

背景技术

奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性，越来越多的应用在医疗器械、石油化工、海洋工程、交通运输等行业。由于奥氏体不锈钢碳含量低，一般碳含量≤0.03％，不能通过常规热处理增强奥氏体不锈钢的硬度，因此，耐摩擦磨损性能较差，在很大程度上限制了奥氏体不锈钢在在这些行业中的应用，因此国内外学者对于奥氏体不锈钢表面硬化处理做了大量研究。

目前，奥氏体不锈钢主要是通过采用离子渗氮的方法可以获得良好的硬度和耐磨性。然而，采用传统的高温(t＞450℃)离子渗氮对奥氏体不锈钢进行表面氮化处理时，虽然可以获得较厚的氮化层，保证奥氏体不锈钢表面的耐磨性，但高温会造成含铬氮化物的析出，引起不锈钢基体贫铬而耐蚀性下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法，以解决上述现有技术中奥氏体不锈钢的硬度不均匀和耐磨性差的技术问题。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法，包括如下步骤：

第一步：将奥氏体不锈钢进行固溶处理；

第二步：将固溶处理后的奥氏体不锈钢放入真空加热炉中，且所述真空加热炉内放置可分解的破膜剂，对炉内奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理；

第三步：待炉内破膜结束后，将所述真空加热炉温度升至430～450℃后，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH3以1～2L/min，CO以0.5～2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将炉内压力设置为70000～90000Pa，并进行低温氮碳共渗20～30h。优选的，在所述第三步进行低温氮碳共渗时，所述真空加热炉温度为420～440℃。

优选的，在所述第三步进行低温氮碳共渗时，将所述真空加热炉温度升至440℃后，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1L/min，CO以2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将炉内压力设置为85000Pa，并进行低温氮碳共渗30h。

优选的，所述三段式破膜包括：

第一阶段，首先在破膜前向所述真空加热炉内充氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至120～250℃，并保温1～2h，使得所述破膜剂进行初步分解；

第二阶段，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至300～400℃，并保温2～5h，且所述真空加热炉内的压力达到90000～100000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；

第三阶段，将所述真空加热炉内的温度调节至120～250℃，并保温1～2h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。

优选的，所述三段式破膜包括：

第一阶段，首先在破膜前向所述真空加热炉内通入氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至250℃，并保温2h，使得所述破膜剂进行初步分解；

第二阶段，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至400℃，并保温4h，且所述真空加热炉内的压力达到95000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；

第三阶段，将所述真空加热炉内的温度调节至250℃，并保温1.5h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。

优选的，所述固溶处理采用真空气淬炉，将所述真空气淬炉内温度调节至1050～1150℃并保温3～5h，待保温结束后，向所述真空气淬炉内通氮气，压力为5～8bar进行气淬。

优选的，还包括：

第四步：对完成所述第三步的奥氏体不锈钢进行表面后处理。

优选的，所述表面后处理采用电解抛光处理。

优选的，所述电解抛光处理工艺包括：将电解抛光液温度调至50～70℃，电压为5～9V，电流0.5～3A/dm2，电解时间为5～15min；其中，所述电解抛光液的成分包括50～55％的磷酸、42～46％的硫酸、3％的三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。

优选的，所述电解抛光处理工艺包括：将电解抛光液温度调至65℃，电压为9V，电流2A/dm2，电解时间为12min；其中，所述电解抛光液的成分包括52％的磷酸、46％的硫酸、3％的三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

本发明通过对奥氏体不锈钢表面进行低温氮碳共渗处理，通过渗入氮和碳原子在奥氏体不锈钢表面形成富氮或碳的并保持原有奥氏体相结构，且无氮化铬和碳化铬析出的表面均匀的硬化层。首先对奥氏体不锈钢表面进行固溶处理，然后将固溶处理后的奥氏体不锈钢放入真空加热炉中，且所述真空加热炉内放置可分解的破膜剂，对炉内奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理，通过在炉内对奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理，使得奥氏体不锈钢表面致密的钝化膜被完全去除，使得后续低温氮碳共渗处理时，氮原子和碳原子能够顺利进入。待炉内破膜结束后，在同一真空加热炉内进行低温氮碳共渗处理，由此避免了破膜后奥氏体不锈钢与空气中的氧气接触；由此通过以上制备方法，使得奥氏体不锈钢的表面形成厚度均匀的富氮或碳并保持原有奥氏体相结构，且其表面无氮化铬和碳化铬析出的表面硬化层，使得处理后的奥氏体不锈钢具有优异的耐磨和耐腐蚀性。解决了现有技术中，奥氏体不锈钢的硬度不均匀和耐磨性比较差的技术问题。

附图说明

图1为本发明中实施例1的金相图片；

图2为本发明中实施例2的金相图片；

图3为本发明中实施例3的金相图片；

图4为本发明中实施例4的金相图片；

图5为本发明中实施例5的金相图片；

图6为本发明中实施例6的金相图片；

图7为本发明中实施例7的金相图片；

图8为本发明中实施例8的金相图片；

图9为对比例炉外破膜得到的奥氏体不锈钢表面的金相图片1；

图10为对比例炉外破膜得到的奥氏体不锈钢表面的金相图片2；

图11为本发明中炉内破膜得到的奥氏体不锈钢表面金相图片；

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过对奥氏体不锈钢表面进行低温氮碳共渗处理，使得奥氏体不锈钢表面形成具有一定厚度且厚度均匀的氮或碳化层。处理方法主要包括三步：第一步，将奥氏体不锈钢进行固溶处理；第二步，将固溶处理后的奥氏体不锈钢放入真空加热炉中，且所述真空加热炉内放置可分解的破膜剂，对炉内奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理；第三步，待炉内破膜结束后，将所述真空加热炉温度升至400～450℃后，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1～2L/min，CO以0.5～2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将炉内压力设置为70000～90000Pa，并进行低温氮碳共渗15～30h。

具体的，第一步将奥氏体不锈钢进行固溶处理时，采用的设备为真空气淬炉，并将温度加热至1050～1150℃，进行保温3～5h，保温结束后通氮气进行气淬，氮气压力为5-8bar。

第二步，对奥氏体不锈钢进行破膜处理。具体的而言，将固溶处理后的奥氏体不锈钢放入真空加热炉中，且所述真空加热炉内放置可分解的破膜剂，破膜剂可选用氯化物或氟化物中的一种或两者的混合物，并对炉内进行抽真空，抽至炉内真空度≤10Pa后通入氮气至90000Pa，重复抽真空和充氮气3次，将真空加热炉内氧气充分稀释并排出，避免真空加热炉内氧气对破膜后的奥氏体不锈钢进行二次氧化，影响后续的低温硬化处理。具体的，对真空加热炉内奥氏体不锈钢采用三段式破膜处理的方法，通过在炉内对奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理，使得奥氏体不锈钢表面致密的钝化膜被完全去除，使得后续低温氮碳共渗处理时，氮原子和碳原子能够顺利进入。

更具体而言，所述三段式破膜包括：第一阶段，首先在破膜前向所述真空加热炉内冲入氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至120～250℃，并保温1～2h，使得所述破膜剂进行初步分解；第二阶段，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至300～400℃，并保温2～5h，且所述真空加热炉内的压力达到90000～100000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；第三阶段，将所述真空加热炉内的温度调节至120～250℃，并保温1～2h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。由此通过采用以上三段式破膜方法，使得第三阶段破膜结束后炉内奥氏体不锈钢表面致密的钝化膜被完全去除，便于后续低温氮碳共渗处理时氮原子和碳原子的顺利进入。

第三步，待炉内破膜结束后，在同一真空加热炉内进行低温氮碳共渗处理，由此避免了破膜后奥氏体不锈钢与空气中的氧气接触。具体而言，将真空加热炉内温度升至430～450℃后进行低温氮碳共渗处理，且采用的设备温度控制精确度为±2℃。同时，采用低温氮碳共渗处理，避免温度过高导致表面析出氮化铬或碳化铬，影响奥氏体不锈钢的耐蚀性。向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1～2L/min，CO以0.5～2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将炉内压力设置为70000～90000Pa，并进行低温氮碳共渗15～30h。设备采用的是自控压力控制，将炉内压力设置为70000-90000Pa，保证炉内气氛的活性。待低温氮碳共渗结束后开启外风机进行降温出炉。

进一步，还包括第四步，对奥氏体不锈钢表面进行表面后处理。具体的，将经过低温氮碳共渗处理后的奥氏体不锈钢进行电解抛光，去除表面2-3um的非S相。电解抛光液的成分为50～55％的磷酸，42～46％的硫酸，3％三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。电解液温度为50～70℃，电压5～9V，电流0.5～3A/dm²，电解时间为5～15min，经过电解抛光处理的奥氏体不锈钢表面恢复金属光亮色，且S相均匀连续，未出现S相断裂的现象，此时经过电解抛光的奥氏体不锈钢耐盐雾试验时间≥500h，具有优良的耐蚀性能

为了能够更好的说明一种奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法，下面将结合对比例和实施例进行详细说明。

实施例1

第一步将奥氏体不锈钢进行固溶处理时，采用的设备为真空气淬炉，并将温度加热至1050℃，进行保温3h，保温结束后通氮气进行气淬，氮气压力为5bar。

第二步，对奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理。首先在破膜前向所述真空加热炉内通入氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至120℃，并保温1h，使得所述破膜剂进行初步分解；然后，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至300℃，并保温2h，且所述真空加热炉内的压力达到90000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；最后，将所述真空加热炉内的温度调节至120℃，并保温1h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。

第三步，待炉内破膜结束后，将真空加热炉内温度升至400℃后进行低温氮碳共渗处理，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1L/min，CO以2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将真空加热炉内压力设置为75000Pa，并进行低温氮碳共渗20h。

第四步，对奥氏体不锈钢表面进行表面后处理。将电解抛光液温度调至50℃，电压为5V，电流0.5A/dm²，电解时间为5min；其中，所述电解抛光液的成分包括50％的磷酸、42％的硫酸、3％的三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。

采用上述实施例1的方法完成低温氮碳共渗处理的奥氏体不锈钢，其表面可以形成一层厚度为0.9μm的氮化层或碳化层，如图1所示。

实施例2

第一步将奥氏体不锈钢进行固溶处理时，采用的设备为真空气淬炉，并将温度加热至1100℃，进行保温5h，保温结束后通氮气进行气淬，氮气压力为7bar。

第二步，对奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理。首先在破膜前向所述真空加热炉内通入氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至150℃，并保温2h，使得所述破膜剂进行初步分解；然后，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至400℃，并保温5h，且所述真空加热炉内的压力达到100000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；最后，将所述真空加热炉内的温度调节至150℃，并保温2h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。

第三步，待真空加热炉内破膜结束后，将真空加热炉内温度升至420℃后进行低温氮碳共渗处理，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1L/min，CO以2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将真空加热炉内压力设置为70000Pa，并进行低温氮碳共渗20h。

第四步，对奥氏体不锈钢表面进行表面后处理。将电解抛光液温度调至60℃，电压为5V，电流1.5A/dm²，电解时间为10min；其中，所述电解抛光液的成分包括52％的磷酸、44％的硫酸、3％的三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。

采用上述实施例2的方法完成低温氮碳共渗处理的奥氏体不锈钢，其表面可以形成一层厚度为1.46μm的氮化层或碳化层，如图2所示。

实施例3

第一步将奥氏体不锈钢进行固溶处理时，采用的设备为真空气淬炉，并将温度加热至1150℃，进行保温4h，保温结束后通氮气进行气淬，氮气压力为8bar。

第二步，对奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理。首先在破膜前向所述真空加热炉内通入氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至190℃，并保温1.5h，使得所述破膜剂进行初步分解；然后，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至350℃，并保温5h，且所述真空加热炉内的压力达到95000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；最后，将所述真空加热炉内的温度调节至200℃，并保温2h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。

第三步，待真空加热炉内破膜结束后，将真空加热炉内温度升至430℃后进行低温氮碳共渗处理，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1L/min，CO以2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将真空加热炉内压力设置为90000Pa，并进行低温氮碳共渗30h。

第四步，对奥氏体不锈钢表面进行表面后处理。将电解抛光液温度调至65℃，电压为9V，电流2A/dm²，电解时间为12min；其中，所述电解抛光液的成分包括52％的磷酸、46％的硫酸、3％的三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。

采用上述实施例3的方法完成低温氮碳共渗处理的奥氏体不锈钢，其表面可以形成一层厚度为14.97μm的氮化层或碳化层，如图3所示。

实施例4

第一步将奥氏体不锈钢进行固溶处理时，采用的设备为真空气淬炉，并将温度加热至1100℃，进行保温4.5h，保温结束后通氮气进行气淬，氮气压力为8bar。

第二步，对奥氏体不锈钢进行三段式破膜处理。首先在破膜前向所述真空加热炉内氮气，使真空加热炉内的压力达到2000Pa，将温度调节至250℃，并保温2h，使得所述破膜剂进行初步分解；然后，待所述第一阶段结束后，将所述真空加热炉内的温度调节至400℃，并保温4h，且所述真空加热炉内的压力达到95000Pa，使得所述破膜剂进一步充分分解；最后，将所述真空加热炉内的温度调节至250℃，并保温1.5h，对奥氏体不锈钢表面的钝化膜进行充分的去除。

第三步，待真空加热炉内破膜结束后，将真空加热炉内温度升至440℃后进行低温氮碳共渗处理，向所述真空加热炉内通入NH₃与CO，且NH₃以1L/min，CO以2L/min的速度通入所述真空加热炉内；且将真空加热炉内压力设置为85000Pa，并进行低温氮碳共渗30h。

第四步，对奥氏体不锈钢表面进行表面后处理。将电解抛光液温度调至65℃，电压为9V，电流2A/dm²，电解时间为12min；其中，所述电解抛光液的成分包括52％的磷酸、46％的硫酸、3％的三羟甲基戊醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚。

采用上述实施例4的方法完成低温氮碳共渗处理的奥氏体不锈钢，最后表面可以形成一层厚度为28.9μm的氮化层或碳化层，如图4所示。

实施例5-8采用与实施例4中的第一步、第二步和第四步的处理方式相同，但针对第三步的低温氮碳共渗进行了温度改变，从而使奥氏体不锈钢获得不同厚度的氮化层或碳化层，以及不同程度析出的氮化铬或碳化铬硬化层，具体参数如表1-3所示。

表1低温氮碳共渗温度与奥氏体不锈钢表面硬度的对应表

表2低温氮碳共渗温度与奥氏体不锈钢表面氮化层或碳化层的对应表

表3低温氮碳共渗温度与奥氏体不锈钢表面氮化铬或碳化铬的对应表

由表1可知，随着真空加热炉内温度的升高及低温氮碳共渗时间的增加，奥氏体不锈钢表面的硬度呈现先增大减小的趋势，同时当温度为400℃时，低温氮碳共渗温度为20h，此时奥氏体不锈钢表面的硬度为273；当温度为420℃时，低温氮碳共渗温度为20h，奥氏体不锈钢表面的硬度为300，由此可以看出，当温度在400～420℃范围内且共渗温度为20h时，所得到的奥氏体不锈钢表面的硬度并不能满足实际应用的要求；然而随着温度的升高，奥氏体不锈钢表面的硬度逐渐增，即当温度在430℃～560℃时，所得到的奥氏体不锈钢的表面硬度均达到1000以上，能够满足实际应用的要求。同时，由表1可以看出，当选用温度为450℃时，所得到的奥氏体不锈钢表面的硬度达到最大值。

同时，由表2可以看出，随着真空加热炉内温度的升高及低温氮碳共渗时间的增加，所述奥氏体不锈钢表面的白亮层，即氮化层或碳化层的厚度逐渐增加。当温度达到560℃且共渗时间为35h时，所得到的奥氏体不锈钢的表面氮化层或碳化层的厚度达到91.59um。

进一步，由表3可知，当真空加热炉内共渗温度高于450℃，奥氏体不锈钢的表面开始有黑色组织析出，即奥氏体不锈钢的表面有氮化铬或碳化铬析出，且随着温度的不断升高，氮化铬或碳化铬的量呈增大的趋势。由此得出当低温氮碳共渗温度超过450℃时，由于氮化铬或碳化铬的存在，导致奥氏体不锈钢表面的硬度不均匀，且其耐腐蚀性能降低。

综上分析可得，当真空加热炉内的低温氮碳共渗温度为420～450℃时，共渗时间为20～30h时，所得到的奥氏体不锈钢表面的硬度均匀，且仅在温度达到450℃左右时，才会有微量的氮化铬或碳化铬析出，然而微量的氮化铬或碳化铬对奥氏体不锈钢的硬度及耐腐蚀性能影响不大，所以仍能够满足实际应用的要求。同时，由表1-3可知，当真空加热炉内的低温氮碳共渗温度优选为440℃，且共渗时间为30h时,所得到的奥氏体不锈钢表面的综合性能较为优异，即其硬度为1335，表面氮化层或碳化层的厚度为28.9um。

此外，以实施例4为基准，并将实施例4中的低温氮碳共渗时间改为20h，由此方法得到的低温氮碳共渗处理的奥氏体不锈钢工件，在其三个不同区域分别进行了氮化层或碳化层厚度及表面硬度的检测，同时对采用炉外破膜的对比例进行的相同方法的检测，具体如表4所示：

表4奥氏体不锈钢炉外破膜与炉内破膜所形成的氮化铬或碳化铬的对应表

由表4可以看出，当采用炉外破膜时，奥氏体不锈钢的表面氮化层或碳化层不同区域的厚度相差较大，由此会严重影响奥氏体不锈钢表面的硬度均匀性及其表面的耐腐蚀性，由此严重限制了奥氏体不锈钢的使用。然而，由表4进一步可以看出，当采用炉内破膜时，最终得到的奥氏体不锈钢的表面氮化层或碳化层的均匀度明显优于采用炉外破膜所得到的，同时不同区域的之间的硬度相差不大，由此通过采用本申请中的炉内破膜，使得奥氏体不锈钢的表面形成厚度均匀的富氮或碳并保持原有奥氏体相结构。

综上所述，通过采用本申请中的奥氏体不锈钢表面低温氮碳共渗的方法，使得奥氏体不锈钢的表面形成厚度均匀的富氮或碳并保持原有奥氏体相结构，且其表面无氮化铬和碳化铬析出的表面硬化层，使得处理后的奥氏体不锈钢具有优异的耐磨和耐腐蚀性。解决了现有技术中，奥氏体不锈钢的硬度不均匀和耐磨性比较差的技术问题。