SUS201不锈钢管表面低温盐浴硬化处理

为了提高不锈钢管的表面硬度，在不降低不锈钢管耐蚀性的前提下，采用盐浴氮碳共渗技术对SUS201不锈钢管表面进行低温硬化处理，对不同处理温度和处理时间下硬化层的组织和性能进行研究。结果表明，处理温度和处理时间对硬化层的组织结构和性能都有很大的影响，只有在正确的工艺条件下，才能获得无氮(碳)化合物析出的硬化层，表面硬度可达1000HV0.025以上，而且还能提高不锈钢管表面的耐蚀性能。

不锈钢管可分为Cr-Ni不锈钢管和Cr-Mn不锈钢管两大系列。Cr-Ni不锈钢管是以Ni为主要奥氏体化元素，如300系列不锈钢管，这类不锈钢管在多种腐蚀介质中具有优良的耐蚀性能、加工工艺性能及可焊性，在石油化工和医药食品等领域有着广泛的用途。但是Ni属于一种贵重金属，并随着全球Ni资源的逐渐枯竭，市场上Ni的价格逐步攀升，人们急需寻找一种能替代Ni合金元素的不锈钢管，因此200系列的Cr-Mn系不锈钢管便应运而生。200系列不锈钢管不仅价格低，仅是316不锈钢管的三分之一，而且其力学性能也优于300系列不锈钢管，如硬度(350HV0.025)和屈服强度都比304和316不锈钢管高30%，这恰好解决了300系列不锈钢管硬度低(250HV0.025)，不适合用来制造需要承受一定载荷的不锈钢管零件。但200系列不锈钢管的耐蚀性能比较差，只能在弱腐蚀环境中使用，所以目前200系列不锈钢管只能用于制作防护栏、低档不锈钢管餐具等。常用于不锈钢管表面低温硬化处理的方法有离子法［1-3］、气体法［4］和盐浴法［4］等，其中以离子法和气体法发表的文献和应用的例子比较多。气体法在进行硬化处理前需要用HCl去除不锈钢管表面的钝化膜［4］，这会对环境造成较大的污染。虽然离子法对环境没有污染，但由于炉内工件的温度测量和温度均匀性都不容易控制，大大增加了处理的难度，所以尽管不锈钢管低温离子硬化处理的研究已有几十年的历史，但工业化应用的实例不多。与气体法和离子法相比，用盐浴法进行不锈钢管表面低温硬化处理应该更具有一定的优势，如不需要专门的去钝化膜预处理、设备及工艺简单、温度易于精确控制等，更容易实现工业化生产。目前尚未见国内外有关于200系列不锈钢管低温硬化处理的报道，因此开展200系列不锈钢管低温硬化处理的应用基础研究是一项很有意义的工作，可以为机械行业提供一种廉价、高性能不锈钢管机械零部件制造的新工艺。

1试验材料及方法

实验材料采用日本SUS201不锈钢管，其化学成分见表1。试样的尺寸为16mm×5mm。

试验用盐为自行研制的不锈钢管低温硬化处理专用盐，该盐具有较强的还原性，所以不需要进行专门的去钝化预处理。硬化处理是在10kW井式炉中进行。处理后的试样经过磨制抛光后用KALLING’S腐蚀液进行腐蚀。硬化层横截面的硬度分布用HVS-1000型显微维氏硬度计检测，加载载荷25g，加载时间10s。试样表面的物相结构分析是用D/max—ⅢA型X射线衍射仪，主要测试条件为:Cu靶、石墨单色器、管电压/管电流40kV/70mA，扫描速度10°/min。处理前后试样的耐蚀性能采用TD73000PCI—3691型电化学测试系统测定，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极，电解液为室温3.5%NaCl水溶液，电位扫描速率为10mV/s。

2试验结果及分析讨论

2.1硬化层的组织结构

图1是在500℃下处理10h的试样显微组织。可以看出，硬化层厚度可达40μm以上，而且虽然基体已经被腐蚀成深灰色，但硬化层仍为白亮色，这表明硬化层应该比基体具有更优良的耐蚀性能。图2为硬化处理前后SUS201不锈钢管的XRD衍射图。可以看出，201不锈钢管为双相不锈钢管，硬化处理后硬化层仍保持了原有的晶体结构，没有新相生成，但衍射峰向低角度发生了较大的偏移。这是由于不锈钢管低温硬化处理的实质就是C和N原子通过间隙扩散的方式进入晶格内部，并以固溶形式存在奥氏体的晶格内，使晶格发生畸变，晶格面间距变大，从而使衍射峰向低角度偏移。

2.2处理温度对硬化层的影响

图3分别是在460℃和520℃下处理10h的201不锈钢管试样横断面的金相照片。结合图1可见，在500℃温度范围内，硬化层均为白亮色，表现出很高的耐蚀性能，但温度一旦超过520℃，硬化层呈灰黑色，表明硬化层开始有氮(碳)化物析出，硬化层的耐蚀性能下降。可见，只有在合适的处理温度范围内，才能得到既硬又耐蚀的硬化层。另外从图中还可以看出，处理温度越高，硬化层越厚。图4是处理时间10h，在不同处理温度下得到的硬化层横断面硬度分布曲线。可以看出，3条硬度曲线都出现了硬度平台，而且随着处理温度的提高，硬度平台越宽，最高硬度值由1200HV0.025增加到1400HV0.025。处理温度对硬化层的影响可以从两方面来解释:(1)由于扩散系数和扩散激活能都与温度呈指数关系［5］，所以提高处理温度可以降低C、N原子的扩散激活能，增大C、N原子的扩散系数，所以在处理时间相同的情况下，硬化层厚度随着处理温度的提高而增加，如图3所示。但是处理温度过高，硬化层将会出现析出相，导致硬化层耐蚀性能的下降。(2)处理温度越高，C和N原子的固溶度越高，晶格畸变就越大，硬度就越高，所以在保证不出现铬的C和N化合物析出的前提下，提高处理温度有利于提高渗层的表面硬度，但是201不锈钢管以面心立方的晶体结构为主，C和N原子在面心立方晶体结构中具有扩散速度慢而溶解度大的特点，所以在不锈钢管的表面一定深度的范围内集聚了浓度较高的富C和N的过饱和固溶体，其宏观表现则为有一定宽度的高硬度平台，温度越高硬度平台越宽，如图4所示，但由于不锈钢管表面可容纳C、N原子的间隙有限，一旦C、N原子达到最大固溶度时，再提高处理温度很难再提高该温度下的固溶度，所以当不锈钢管表面达到最大硬度后，再想提高表面硬度就比较困难，这时只能增加硬度平台的宽度而不会继续提高其表面硬度。

2.3处理时间对硬化层的影响

图5是处理温度为500℃时，处理时间对硬化层厚度的影响。由图5可见，随着处理时间的延长，渗层厚度逐渐增加。

图6是在处理温度为500℃时，处理时间对硬化层横截面硬度分布的影响。由图6可见，随着处理时间越长，硬化层表面的硬度越高，硬度平台越宽。当处理时间超过8h后，最高硬度变化不大，仅是硬度平台的宽度继续加宽。增加处理时间虽然不能提高C、N原子的扩散系数，也不能提高其固溶度，但通过增加处理长时间不仅可以增长C、N原子的扩散距离，进而增大硬化层厚度，还可以使C、N的含量逐渐达到饱和，出现硬度平台，从而达到与提高处理温度相同的效果，但比较图3和图6可以发现，处理时间对硬化层的硬度和高硬度平台的宽度的影响不及处理时间的影响大。

2.4硬化层的耐蚀性能

图7为低温盐浴硬化处理前后试样的电化学极化曲线。从图7中可以看出，未处理的201不锈钢管的自腐蚀电位在－530mV左右，钝化区域非常狭窄，在－160mV附近出现孔蚀。经过低温盐浴硬化处理后，不锈钢管表面的耐蚀性不仅没有降低反而有较大幅度地提高，自腐蚀电位从－500mV提高到－330mV，没有明显的钝化区，直到1000mV左右才出现孔蚀，表现出很高的耐孔蚀性能。图7还表明，硬化处理后的201不锈钢管已接近316不锈钢管的耐蚀性能，在耐孔蚀性能方面甚至超过316不锈钢管。在硬化层不析出相的情况下，不锈钢管经低温硬化处理后其表面的耐蚀性能不仅没有降低，反而得到提高，原因是由以下三方面引起的:(1)硬化层内存在高含量的C、N原子［6］;(2)由于硬化层内存在应力场及晶格畸变，使自由电子在迁移过程中发生散射，阻碍自由电子的迁移，结果使自腐蚀电位升高，腐蚀电流密度减小;(3)C、N原子填充了不锈钢管内部的位错、晶界等缺陷，使晶体结构更加致密。

3结论

1)采用低温盐浴硬化处理技术可以对201不锈钢管表面进行硬化处理，在正确的工艺条件下，可以获得无氮(碳)化合物析出的硬化层，表面硬度可超过1000HV0.025，硬化层厚度可在40μm以上，硬化层的耐蚀性能已接近316不锈钢管的耐蚀水平;2)处理温度和处理时间对201不锈钢管的硬化层厚度及硬度有重要影响。提高处理温度和延长处理时间都可以提高硬化层的硬度和厚度，但处理温度对硬化层的硬度、厚度和耐蚀性能的影响要比处理时间大。