304不銹鋼管高溫快速氮化組織與耐腐蝕性能的研究

 為避免鉻氮化物的析出，離子滲氮一般在低溫(<450℃)下來制備S相層。浙江至德鋼業(yè)有限公司在高溫下快速氮化獲得氮的膨脹奧氏體S相層。304不銹鋼管在高溫（530℃）下滲氮處理0～5小時(shí)。采用X射線衍射儀、掃描電鏡和顯微硬度儀等表征氮化樣品。采用陽極極化試驗(yàn)研究氮化前后樣品在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能。結(jié)果表明：高溫快速氮化處理不僅提高奧氏體不銹鋼的表面硬度，而且提升了耐蝕性。

 奧氏體不銹鋼表面存在致密的鈍化層，在常規(guī)氣體氮化處理過程中，氮難于滲入奧氏體基體。需采用酸洗或拋丸等預(yù)處理措施，去除鈍化層從而實(shí)現(xiàn)滲氮。直流離子氮化方法處理奧氏體不銹鋼時(shí)，可通過強(qiáng)烈的離子轟擊與濺射將鈍化層除去，這在實(shí)際工程技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。離子滲氮通常在低溫下進(jìn)行，主要為了避免鉻的氮化物析出，在表面形成單一的S相層，在提高硬度及耐磨性的同時(shí)保證了奧氏體不銹鋼原有的耐腐蝕性。

 浙江至德鋼業(yè)有限公司總結(jié)了在350～500℃下離子氮化奧氏體不銹鋼S相的相變時(shí)間與溫度關(guān)系，并指出奧氏體不銹鋼離子滲氮處理技術(shù)的關(guān)鍵在于控制足夠的滲氮溫度或者較短的滲氮時(shí)間。低溫離子氮化工藝通常在溫度低于450℃下進(jìn)行，因此需要較長(zhǎng)時(shí)間才能獲得有足夠厚度的相強(qiáng)化層。一般來講，制備厚度為8～10m的單一S相改性層需要6小時(shí)以上時(shí)間。鑒于此，本試驗(yàn)期望在高溫下快速氮化制備S相層，在短時(shí)間內(nèi)CrN無法析出。在不影響耐蝕性能的前提下，提高滲氮速率。

一、試驗(yàn)材料與方法

  材料為304不銹鋼管，選用直徑20mm的304不銹鋼管，經(jīng)線切割成厚度為6mm的圓管段，然后用SiC砂紙從粗到細(xì)將試樣表面磨平，然后進(jìn)行拋光。氮化處理在等離子體滲氮爐中進(jìn)行，爐內(nèi)安裝活性屏裝置，與電源陰極聯(lián)系。氮化加熱速度約為15～18℃/min，氮化溫度加熱到530℃需用時(shí)0.5小時(shí)。然后分別保溫氮化處理0、1、5小時(shí)，氣壓維持在450 Pa左右，研究304不銹鋼管的高溫快速氮化行為。

 用德國(guó)布魯克D8型-X射線衍射分析儀測(cè)定原始基體與不同滲氮樣品的相結(jié)構(gòu),選用CuKα（波長(zhǎng)為0.15406nm）靶，電壓為40.0kV，電流30.0mA，掃描范圍為30°～90°，掃描步長(zhǎng)為0.05°。采掃描電鏡觀察滲氮層的組織形貌；用顯微硬度計(jì)測(cè)量表面硬度，條件為載荷為1N，加載時(shí)間15秒。電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)采用科斯特S350型電化學(xué)工作站，腐蝕液為3.5wt%的NaCl溶液。電極體系為：參比電極選用飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲電極，掃描速率1mV/s。

二、試驗(yàn)結(jié)果及討論

 1. 氮化層組織

 圖是在530℃下不同處理時(shí)間氮化試樣的斷面SEM形貌?？煽闯?，剛到溫（即0h）時(shí)，表面形成較薄（2.6m）的氮化層。在530℃保溫1小時(shí)，制備了厚度均勻的（約8m）的氮化層，其為無CrN析出的單一S相氮化層，具有良好的耐腐蝕性。當(dāng)?shù)?小時(shí)后，氮化層厚度達(dá)到18微米，但伴有黑色物相析出，不再表現(xiàn)為單一相組織。

 2. XRD分析

 圖是基體和不同氮化試樣表面的XRD圖?？煽闯?，原始304不銹鋼管主要由奧氏體相γ（111）和γ（200）組成。經(jīng)滲氮處理的試樣，在奧氏體γ（111）和γ（200）衍射峰的低角度方向都出現(xiàn)了新的較寬的衍射峰S（111）和S（200），其強(qiáng)度和位移也隨著滲氮時(shí)間的變化而改變。當(dāng)保溫1 h時(shí)，圖譜主要以衍射峰S（111）和S（200）組成。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)為5小時(shí)，XRD圖譜主要由是CrN和馬氏體α相為主。S相是一種亞穩(wěn)態(tài)的中間相，在高溫條件下不穩(wěn)定。隨滲氮處理時(shí)間的延長(zhǎng)，在高溫下亞穩(wěn)態(tài)的S相發(fā)生轉(zhuǎn)變：S→CrN+，有氮化析出物和缺陷出現(xiàn)。

 3. 硬度分析

 圖是未處理與不同滲氮樣品的顯微硬度?？煽闯?，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度不斷升高。滲氮1小時(shí)試樣的表面硬度增加到840 HV0.1，約為基體硬度的3倍多。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到5小時(shí)，硬度達(dá)到1100HV0.1左右。硬度的升高與厚度變大有關(guān)，不再受較軟基體的影響，同時(shí)CrN的析出和表面層較高的殘余應(yīng)力起到強(qiáng)化作用。

 4. 耐蝕性分析

 將未處理和氮化樣品進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，獲得的陽極極化曲線見圖?？煽闯觯诤入x子腐蝕介質(zhì)中,未處理基體存在著鈍化區(qū)（-0.4～0.2 V），在電壓超過0.25 V后，電流密度迅速升高，表現(xiàn)為明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。短時(shí)處理（0小時(shí)和1小時(shí)）樣品的耐蝕性能優(yōu)于原始樣品。特別是氮化1小時(shí)304不銹鋼管樣品，相比氮化0小時(shí)304不銹鋼管樣品，自腐蝕電位升高，形成了良好的鈍化區(qū)，鈍化電流低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，點(diǎn)蝕電位升高了0.2V。這是快速滲氮在表面制備了較厚的S相層，其耐蝕性較好，能阻礙腐蝕液尤其是氯離子的侵入。滲氮5小時(shí)304不銹鋼管樣品的耐蝕性能下降，這是因?yàn)樵诒韺有纬蒀rN和馬氏體α相等多種物相，異相之間形成電偶腐蝕，耐蝕性惡化。

三、結(jié)論

 1. 高溫快速氮化可有效處理304不銹鋼管，在表面制備了不同厚度和結(jié)構(gòu)的氮化層，明顯提升了基體硬度。

 2. 在高溫530℃下，較短的處理時(shí)間1小時(shí)內(nèi)，可制備無CrN析出的單一S相氮化層。S相處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的中間相，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，CrN相開始析出，5小時(shí)后轉(zhuǎn)變?yōu)镃rN和馬氏體α相。

 3. 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)表明高溫短時(shí)間(1小時(shí)內(nèi))的氮化304不銹鋼管樣品提升了在NaCl溶液中的耐點(diǎn)蝕性。