奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳后的表面組織、硬度與耐蝕性能

張良界，李 朋，潘 鄰，楊閩紅，朱云峰，馬 飛

（武漢材料保護(hù)研究所，武漢430030）

0 引 言

不銹鋼具有良好的強(qiáng)度和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于橋梁、機(jī)械、建筑、核電、航空航天、壓力容器、軍工等行業(yè)。其中奧氏體不銹鋼因具有優(yōu)良的耐蝕性、抗氧化性和抗應(yīng)力腐蝕等特點(diǎn)，更適合作為化工球閥、管道及承受氧化性酸腐蝕零部件用材料，但它的硬度較低、耐磨性差，這嚴(yán)重影響了它的應(yīng)用范圍［1-3］。為提高奧氏體不銹鋼的表面強(qiáng)度及耐磨性能，研究人員開(kāi)發(fā)了多種表面處理技術(shù)，其中以低溫鹽浴滲碳和離子滲碳為主，這兩種方法雖然能顯著提高奧氏體不銹鋼的表面強(qiáng)度，但卻在一定程度上降低了它的耐蝕性能。為了有效解決奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)度與耐蝕性不能兼顧的問(wèn)題，先后出現(xiàn)了Kolsterising技術(shù)、NV Pionite技術(shù)、LTCSS（Low temperature colossal supersaturation）技術(shù)，但 Kolsterising技術(shù)主要是針對(duì)非奧氏體不銹鋼的，而且該技術(shù)雖能提高不銹鋼的硬度，但卻使其耐蝕性能出現(xiàn)一定的下降；NV Pionite技術(shù)需要在1 353K保溫1h并油冷后才能進(jìn)行滲碳處理，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低；LTCSS技術(shù)則需要長(zhǎng)達(dá)48h的低溫滲碳處理才可以獲得10～15μm厚的滲碳層，滲碳層的厚度小，難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。為此，在消化、吸收LTCSS低溫滲碳技術(shù)［4-8］的基礎(chǔ)上，作者提出了一種兼顧奧氏體不銹鋼硬度和耐腐蝕性能的低溫氣體滲碳工藝，并采用該工藝對(duì)304、316奧氏體不銹鋼進(jìn)行滲碳處理，研究了滲碳層的組織、硬度及耐腐蝕性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為AISI304、AISI316奧氏體不銹鋼（分別簡(jiǎn)稱(chēng)為304不銹鋼和316不銹鋼），其化學(xué)成分見(jiàn)表1。每種材料選取5個(gè)截面尺寸為20mm×20mm的試樣，并依次用280＃、600＃、1000＃砂紙打磨。由于奧氏體不銹鋼基體很軟，打磨時(shí)很容易嵌入磨粒，故在砂紙上涂抹甘油或市售洗潔精。試樣打磨完成后進(jìn)行去脂處理，然后用丙酮浸泡、脫脂棉擦拭表面后再用吹風(fēng)機(jī)吹干。

表1 AISI304、AISI316不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 304stainless steel and 316stainless steel（mass） %

滲碳在低壓氣體滲碳爐內(nèi)進(jìn)行，滲碳工藝路線如圖1所示，先進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行滲碳處理。抽空爐內(nèi)氣體，通入N2氣，然后升溫到指定溫度后再向滲碳爐中通入由（10%～40%）CO、10%H2、（80%～50%）N2組成的滲碳?xì)怏w，爐內(nèi)放置高度為200mm的三腳架，將304、316奧氏體不銹鋼試樣用鐵絲穿孔懸掛于其上，為精確控制爐內(nèi)溫度，將φ3mm的鎧裝熱電偶置于三腳架中心部分，用于測(cè)量爐內(nèi)溫度。其中，活化溫度為300℃，滲碳溫度分別為470，500℃，滲碳時(shí)間均為24h。

預(yù)處理的目的是為了完全除去不銹鋼試樣表面的鈍化膜，并在不銹鋼表面裸露出新鮮、活化的表面，為下一步滲碳做好準(zhǔn)備。

圖1 低溫氣體滲碳工藝示意Fig.1 Schematic diagram of low-temperature gas carburizing

1.2 試驗(yàn)方法

采用WV2CP470型光學(xué)顯微鏡和Nova Nano-Lab SEM/FIB型雙束掃描電鏡（SEM）觀察滲碳層橫截面的顯微組織，腐蝕劑為三氯化鐵飽和鹽酸水溶液（鹽酸與水的體積比為1∶1）［9］；采用 HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)滲碳層橫截面的硬度分布，加載載荷為0.245N，保壓時(shí)間10s；采用ParStat4000型電化學(xué)工作站測(cè)試不銹鋼滲碳處理后的耐腐蝕性能，試驗(yàn)介質(zhì)為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl中性溶液，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為石墨電極。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見(jiàn)，在500℃滲碳后，304不銹鋼滲碳層中的白亮層厚度為20～30μm，滲碳層組織致密，疏松層與滲碳層及基體的分界線明顯，基體中的晶界粗大；在470℃滲碳后，304不銹鋼滲碳層中的白亮層厚度為15～30μm，滲碳層組織比基體更致密，且無(wú)疏松層出現(xiàn)?？梢?jiàn)，滲碳溫度對(duì)304不銹鋼滲碳層組織的影響很大，470℃下得到的滲碳層無(wú)疏松層，滲碳層及基體組織更為平整、致密。

由圖3可見(jiàn)，在500℃滲碳后，316不銹鋼滲碳層中白亮層的厚度為40～50μm，未出現(xiàn)疏松層，滲碳層與基體的分界線明顯，滲碳層及基體的組織致密；在470℃滲碳后，316不銹鋼滲碳層中白亮層的厚度為30～40μm，滲碳層與基體的分界線明顯，滲碳層比較均勻，滲入效果較好，滲碳層、擴(kuò)散層與基體的分界線明顯，組織未出現(xiàn)粗大現(xiàn)象。可見(jiàn)，316不銹鋼在500，470℃滲碳處理后，滲碳層均為白亮

組織，且其與基體中均未出現(xiàn)疏松層和粗大的組織。這說(shuō)明滲碳溫度對(duì)316不銹鋼滲碳層組織的影響不大。

圖2 304不銹鋼在不同溫度滲碳后的橫截面形貌Fig.2 Cross-section morphology of 304stainless steel after gas carburizing at different temperatures：（a）500 ℃，OM morphology；（b）500℃，SEM morphology；（c）470℃，OM morphology and（d）470℃，SEM morphology

圖3 316不銹鋼在不同溫度滲碳后的橫截面形貌Fig.3 Cross-section morphology of 316stainless steel after gas carburizing at different temperatures：（a）500 ℃，OM morphology；（b）500℃，SEM morphology；（c）470℃，OM morphology and（d）470℃，SEM morphology

綜上可知，在溫度及氣氛相同的條件下，兩種不銹鋼的滲碳層組織存在很大差異，316不銹鋼更易得到良好的滲碳層組織。在470℃滲碳后，兩種試驗(yàn)鋼的滲碳層組織均為白亮色，滲碳層清晰可見(jiàn)。在500℃滲碳后，304不銹鋼的滲碳層組織呈灰色，并伴隨有疏松層出現(xiàn)，滲碳層的厚度只能通過(guò)硬度梯度來(lái)計(jì)算；而且兩種不銹鋼的滲碳層厚度都增大了，這是因?yàn)殡S著滲碳溫度的升高，活性碳原子的活性和擴(kuò)散速度均增大，故而滲碳層厚度隨滲碳溫度的升高而增大。

由圖4，5可以看出，與未處理的304不銹鋼相比，滲碳處理后304不銹鋼的特征峰出現(xiàn)向左偏移，且在500℃滲碳處理后于44°～45°間出現(xiàn)了Cr3C2碳化物的衍射峰；而對(duì)于316不銹鋼而言，其特征峰亦出現(xiàn)了不同程度的左偏移，在500℃滲碳處理后也出現(xiàn)了Cr3C2碳化物的衍射峰。隨著滲碳溫度的升高，碳擴(kuò)散速度加快，滲碳層表面的碳含量增加，因此表面與心部的碳含量出現(xiàn)濃度差，當(dāng)濃度差大到滲碳溶質(zhì)碳原子無(wú)法繼續(xù)以溶質(zhì)原子的形勢(shì)存在于FCC晶格中時(shí)，原來(lái)已經(jīng)固溶的溶質(zhì)碳原子和新擴(kuò)散到基體內(nèi)部的碳原子將逐漸以鉻碳化物的形式存在，具體表現(xiàn)為在晶界間以碳化物的形式析出。因此，500℃是不銹鋼滲碳處理形成碳化物的條件之一。

圖4 304不銹鋼在不同溫度滲碳前后的XRD譜Fig.4 XRD patterns of 304stainless steel before（a）and after carburizing at different temperatures

圖5 316不銹鋼在不同溫度滲碳前后的XRD譜Fig.5 XRD patterns of 316stainless steel before（a）and after carburizing at different temperatures

根據(jù)布拉格方程2dsinθ＝nλ可知，在nλ恒定的條件下，d越大，sinθ越小。即在滲碳處理后，碳原子固溶導(dǎo)致鐵晶體晶格常數(shù)增大，其特征峰2θ角減小，特征峰在XRD譜中向左偏移。滲碳溫度越高，原子激活能越高，故能以溶質(zhì)原子形式存在的碳原子就越少，碳原子造成的FCC晶格畸變就越??；同時(shí)，滲碳溫度越高，析出的碳化物越多，其在晶界上堆積產(chǎn)生的對(duì)FCC晶格的壓力越大。上述兩方面的共同作用導(dǎo)致FCC晶格常數(shù)減小，這也是溫度升高使特征峰逐漸向左偏移的主要原因。

2.2 截面硬度

由圖6（a）可知，304不銹鋼在500℃滲碳后的滲碳層表面硬度約為860HV，擴(kuò)散層硬度從550HV逐漸下降，直至和基體的硬度趨于一致；在470℃滲碳后，滲碳層的表面硬度約為810HV，硬度平緩下降，但硬度高于550HV區(qū)域的厚度只有12μm。

由圖6（b）可知，316不銹鋼在500℃滲碳后的滲碳層表面硬度約為960HV，硬度下降得比較緩慢，硬度高于550HV區(qū)域的厚度為26μm；在470℃滲碳后，滲碳層的表面硬度約為850HV，硬度也下降平緩，硬度高于550HV區(qū)域的厚度為18μm。滲碳后奧氏體不銹鋼表面硬度增大的原因是，低溫滲碳處理使?jié)B入的碳原子固溶于奧氏體基體中，而不以碳化物形式析出，形成了一種擴(kuò)張奧氏體。這種擴(kuò)張奧氏體的點(diǎn)陣常數(shù)比奧氏體基體的大得多，故被命名為S相［10］，上述提到的白亮層即為S相，其比基體的耐蝕性更優(yōu)。過(guò)飽和的碳固溶于奧氏體基體中，使原來(lái)的奧氏體面心立方晶格（FCC）點(diǎn)陣常數(shù)增大而產(chǎn)生了點(diǎn)陣畸變，轉(zhuǎn)變成面心四方晶體結(jié)構(gòu)（FCT），從而大大提高了滲碳層的硬度和磨損抗力。因此，在470℃低溫氣體滲碳處理后，304、316不銹鋼表面得到了厚度為15～20μm的耐蝕強(qiáng)化S相層（耐蝕強(qiáng)化層）。

圖6 兩種不銹鋼在不同溫度滲碳后的硬度分布Fig.6 Hardness of 304stainless steel（a）and 316stainless steel（b）after gas carburizing at different temperatures

2.3 耐蝕性能

根據(jù)304不銹鋼在不同溫度滲碳前后的Tafel曲線可以得到表2。其中，點(diǎn)蝕電位取Tafel曲線陽(yáng)極極化區(qū)電流密度為10μA·cm-2處對(duì)應(yīng)的電位［11-12］?？梢?jiàn)，304不銹鋼在500℃滲碳處理后，自腐蝕電位下降嚴(yán)重，自腐蝕電流密度明顯增大；而在470℃滲碳處理后的自腐蝕電位變化不大，自腐蝕電流密度僅有微小增加。另外，滲碳處理后304不銹鋼的陽(yáng)極鈍化不明顯。

表2 304不銹鋼在不同溫度滲碳前后的Tafel極化曲線結(jié)果Tab.2 Tafel polarization curve results of 304stainless steel before and after gas carburizaing at different temepeartures

根據(jù)316不銹鋼在不同溫度滲碳前后的Tafel曲線可以得到表3?？梢?jiàn)，316不銹鋼在500℃滲碳處理后，自腐蝕電位急劇下降，自腐蝕電流密度有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，并且Tafel曲線未出現(xiàn)陽(yáng)極鈍化區(qū)；在470℃滲碳處理后，自腐蝕電位和自腐蝕電流密度的變化都不大（僅維鈍電流稍有降低）。另外，316不銹鋼在470℃滲碳處理后的點(diǎn)蝕電位有所降低。

表3 316不銹鋼在不同溫度滲碳前后的Tafel極化曲線結(jié)果Tab.3 Tafel polarization curve results of 316stainless steel before and after gas carburizaing at different temepeartures

奧氏體不銹鋼中的鉻原子與碳原子結(jié)合生成碳化鉻，并首先在滲碳層奧氏體晶界上析出，易呈網(wǎng)狀分布，由于鉻的原子半徑較大，內(nèi)部的鉻很難擴(kuò)散到表層，這樣就造成了表面局部貧鉻，其后果是在500℃滲碳時(shí)，兩種不銹鋼在Tafel曲線及交流阻抗譜上表現(xiàn)為耐腐蝕性能大幅降低。但在470℃滲碳處理后兩種不銹鋼的耐蝕性能基本與未處理的相當(dāng)，這說(shuō)明470℃是兼顧強(qiáng)化與耐蝕性能的低溫氣體滲碳工藝參數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）在470℃低溫氣體滲碳處理后，304、316奧氏體不銹鋼表面獲得了15～20μm的耐蝕強(qiáng)化層，與基體相比，其硬度提高了4～5倍；但耐蝕性能未降低。

（2）在溫度及氣氛相同的條件下滲碳后，316不銹鋼滲碳層的性能優(yōu)于304不銹鋼的，且在470℃滲碳后，316不銹鋼表現(xiàn)出了更加優(yōu)良的耐蝕性能。

圖7 兩種不銹鋼在不同溫度滲碳處理前后的交流阻抗譜Fig.7 EIS curves of 304stainless steel（a）and 316stainless steel（b）before and after gas carburzing at different temperatures

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