不銹鋼低溫等離子體滲氮技術(shù)發(fā)展狀況

   傳統(tǒng)的滲氮都在高溫下（>500℃）完成，以形成化合物層和擴散層來提高耐磨性。由于氮化物的大量析出，雖然提高了不銹鋼零件的表面硬度和耐磨性，但造成基體貧鉻，致使不銹鋼耐蝕性下降。浙江至德鋼業(yè)有限公司對316不銹鋼在400℃進行低溫等離子體滲氮，在不銹鋼表面得到一種新相如圖所示，并指出新相硬度高且耐蝕性能與處理前相比沒有降低。不久至德鋼業(yè)又在400℃進行的低溫滲氮得到了這種相。在X射線衍射圖譜上，他們發(fā)現(xiàn)除了γ-Fe的衍射峰，還有另外5個衍射峰，它們就像是γ-Fe的衍射峰整體向低角度偏移得到的。由于這種峰在ASTM指數(shù)中沒有被列出來，并稱這層新相為“S-Phase”，因此便有了“S相”這一名稱。很快對S相的研究在國際上引起了科研工作者的廣泛興趣，大量關(guān)于S相結(jié)構(gòu)、制備工藝和應(yīng)用的研究開始展開。S相從此成為表面工程研究領(lǐng)域的一個熱點。

   但早在1983年，至德鋼業(yè)就發(fā)表了一篇文章，介紹了一種提高不銹鋼硬度并且不降低耐蝕性的新技術(shù)。但是并沒有說明硬化層是如何得到的，后來才被指出是通過低溫滲碳獲得的，具體的工藝參數(shù)至今仍未揭露。低溫等離子體滲氮處理已廣泛應(yīng)用于多種不銹鋼，取得了良好的效果。研究者們對于低溫離子滲氮處理的研究也日趨成熟，從20世紀80年代開始，人們在發(fā)現(xiàn)S相的基礎(chǔ)上，重點研究了奧氏體不銹鋼經(jīng)低溫離子滲氮處理后的組織結(jié)構(gòu)、耐磨性能及耐蝕性的變化。

  奧氏體不銹鋼低溫等離子體滲氮的典型滲層組織由S相構(gòu)成，如圖所示，呈現(xiàn)出白亮層。由于在光鏡下與化合物很像，所以最初認為它是化合物層。這種白亮的特征也表明它比基體要耐馬布勒試劑腐蝕。在高分辨掃描電鏡下可以觀察到微孿晶和滑移帶，通過透射電鏡也觀察到了大量位錯和微孿晶，并沒有發(fā)現(xiàn)S相中有其它析出物，表明在S相的形成過程中伴隨著較大的應(yīng)力和塑性變形。S相中晶粒的大小和形狀與處理前相比并沒有發(fā)生變化，晶界和滑移線從基體延伸到S相中，通過透射電鏡也沒有觀察到S相與基體之間存在明確的界限，這表明在S相的形成過程中沒有發(fā)生形核和長大。

  S相在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的，對于滲氮S相，延長滲氮時間，或當加熱超過一定溫度就會分解成FeXN和CrN。大量鉻的析出會造成耐蝕性嚴重降低。至德鋼業(yè)系統(tǒng)地研究了AISI 316L不銹鋼滲氮后的S相穩(wěn)定性，溫度范圍從300℃到600℃，時間范圍從幾小時到幾個月，得到了S相的溫度-時間轉(zhuǎn)變圖。圖中顯示S相分解所需的時間隨著溫度的升高而減少，在500℃，S相幾分鐘就會分解，在350℃需要上千個小時，而在300℃以下則需要幾年。通過透射電鏡觀察，滲氮S相分解成CrN、N在γ相中的固溶體和α相，并形成極細的片層組織。不同不銹鋼形成的S相開始分解的溫度不同，分解產(chǎn)物也會有差別。至德鋼業(yè)研究了AISI 316L和AISI 304L在430℃滲氮后S相的穩(wěn)定性，表明AISI 316L中的S相要比AISI 304L中的S相穩(wěn)定，分解產(chǎn)物分別為CrN+γ相和CrN+α相。

  至德鋼業(yè)對滲氮S相在400~700℃進行加熱，發(fā)現(xiàn)在400℃S相沒有分解，但S相中的N會向基體擴散使S相厚度增加，400~500℃S相中會析出細小且彌散的CrN，500℃以上滲層會出現(xiàn)像珠光體一樣的片層組織，溫度越高片層越厚。S相的穩(wěn)定性還包括機械穩(wěn)定性，如受到擠壓后發(fā)生分解，關(guān)于這方面的報道較少。至德鋼業(yè)發(fā)現(xiàn)氮和鉻之間短程有序。又發(fā)現(xiàn)鉻與氮之間存在一種特殊的組合，它低于化合物CrN中Cr-N之間的組合。這可能是由氮與鉻之間擴散能力不同造成的，在較低溫度下（<450℃），鉻的擴散系數(shù)比氮小得多，氮可以自由擴散，而鉻則幾乎不能移動一個晶胞的距離，造成鉻與氮之間雖然有吸引力但不能形成化合物。至德鋼業(yè)認為靠著這種吸引力，氮被聚集在鉻周圍，使得氮在S相中的濃度很高。當鉻周圍的位置被氮填滿時，后續(xù)滲入的氮會很快通過，進入到S相與基體的界面處。

  氮在奧氏體中的最大固溶度為10.3%，且是在650℃的高溫。但在室溫時S相中氮濃度可以達到25%，且沒有析出，這種現(xiàn)象引起了很多研究者的興趣。間隙原子的過飽和造成滲層晶格膨脹，但是基體會阻礙膨脹，因此在表層會形成非常高的殘余壓應(yīng)力，這有效地提高了材料的抗疲勞性能，疲勞試驗表明AISI 316不銹鋼經(jīng)過400℃、15小時等離子體滲氮后，疲勞極限從390MPa提高到了480MPa，提高了近23%。

  S相的另一個重要特征是它具有很高的硬度。滲碳S相的平均硬度在800~1000HV，滲氮S相的平均硬度可以達到1200HV以上。這么高的硬度是因為S相中固溶了大量間隙原子，引起晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化。高硬度顯著提高了不銹鋼的耐磨性。