不銹鋼的表面強化工藝及應用分析

 不銹鋼表面強化是近些年來國內(nèi)外學者廣泛研究和應用的工藝之一。表面強化一般使用各種物理、機械或化學的方法，改變材料表層的相組成和結構的一種方法，從而提高材料表面的綜合力學性能。其強化效果顯著，成本低廉。不銹鋼的表面強化技術主要包括：

 1. 表面形變強化技術：噴丸強化、擠壓強化等。

 2. 表面擴滲技術：滲氮、滲碳、碳氮共滲等。

 3. 表面覆層技術：噴涂、物理和化學氣相沉積等

一、不銹鋼表層形變強化

 表面形變強化處理通常是在外力的重復作用下，材料表面通過不同方向產(chǎn)生反復的塑性變形，從而細化材料表面的粗晶組織。同時也在材料表面產(chǎn)生高密度位錯和殘余應力，從而產(chǎn)生強化效果。目前材料形變強化的主要方法有超聲噴丸、激光沖擊強化、等通道角擠、以及表面機械研磨等。

 超聲噴丸技術過程是將超聲波發(fā)生器發(fā)出的20 Hz左右的電動振動信號轉換為機械振動，幅值再經(jīng)變幅桿放大后傳遞給振動工具頭，從而推動放置在噴丸室的彈丸快速高頻的撞擊要處理的工件，從而達到表面強化的效果。常見的超聲噴丸裝置示意圖所示。目前，超聲噴丸技術已經(jīng)成功地在不銹鋼，鐵,鎳,等合金和金屬表面，從而制備出工件材料表面的超細晶強化結構。但超聲噴丸技術并未改變對沖擊彈丸技術的需求，且由于自身的特點限制其在一些加工場合的運用。

 激光沖擊技術是在20世紀60年代有Fairand和Clauer提出的，最初應用于航空工業(yè)上來抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生。激光沖擊技術是利用高功率、高密度激光束輻射材料表面，在材料表面產(chǎn)生的高溫、高密度等離子體噴射爆炸形成沖擊應力波，然后給材料造成一個塑性變形層，塑性變形層中的高密度位錯和殘余應力能抑制材料疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，延長其抗疲勞壽命。目前激光沖擊技術主要用來提高不銹鋼及金屬的耐疲勞、耐腐蝕性。

 等通道角擠壓技術是20紀80年代初由Segal等研究顯微組織結構和織構時，為了獲得純剪切應變而研發(fā)的一種大塑性變形方法。等通道角擠壓技術原理是，原始棒材（直徑小于20 mm,長度在70～100 mm之間）在設有一定角度的管道中發(fā)生剪切變形，使變形過的式樣旋轉一定角度（0°,90°,180°）再次壓入管道中，從而使變形在不同的滑移面、滑移方向上重復發(fā)生。這樣經(jīng)過數(shù)次變形，可制造出塊狀致密的超細結構材料。目前ECAP技術已經(jīng)成功地應用于鐵、銅、鎳、鈦和不銹鋼等金屬及其合金的細晶強化。

 機械研磨技術是新發(fā)展起來的新型工藝，通過嚴重塑性變形使粗晶式樣表層晶粒細化，達到納米級別結構的強化工藝。它一般包含兩部分：盛放彈丸和振動發(fā)生器以及固定樣品的容器。振動發(fā)生器振動頻率的范圍是50HZ-20Hz。表面機械研磨技術已經(jīng)在多種金屬和合金中實現(xiàn)了表面機械納米化結構，如鎂、鐵、鎳、銅和不銹鋼等金屬及其它合金。

 以上介紹的這些形變強化各有優(yōu)缺點，另外關于不同材料或者相同材料經(jīng)過不同方法的形變強化處理后的耐腐蝕性能的變化情況，研究者對于研究結構存在很大的分歧。不銹鋼本身的“不銹性”主要是由于其自身表面的鈍化膜即富鉻氧化膜引起的，同時也受外界的腐蝕介質(zhì)、不銹鋼的粗糙度、表面成分及圍觀組織的影響。因此不同的形變強化工藝會導致不銹鋼耐腐蝕性能的不斷變化。

二、不銹鋼離子滲氮強化

 化學熱處理是將元素滲入零件表層，即是將被滲零件放置于含有活性介質(zhì)的被滲元素氛圍中，通過不斷改變溫度、壓力和滲入時間等條件使零件表層滲入被滲元素，獲得一定厚度滲層和理想的組織結構及性能的一種熱處理工藝。其基本原理是固態(tài)擴散。一般零件的失效和破壞都是從零件的表面開始的，因此為了延長零件的使用壽命，改善其表面的組織和提高其力學性能一直是學者研究的焦點。這也使得化學熱處理工藝的應用越來越廣泛，同時使得表面化學熱處理工藝有了更多開發(fā)的可能性。目前滲擴中的離子滲氮技術由于相對的諸多優(yōu)點被廣泛的應用。滲氮，是在一定的介質(zhì)中一定的溫度下使氮原子滲入工件表面層的一種化學熱處理工藝。從六十年代開始，滲氮技術開始應用在工業(yè)上，目前已經(jīng)發(fā)展為條件相對成熟的一種化學熱處理工藝，一般使用的是含有鉻、錳、銅、鋁等合金元素的鋼材即為滲氮材料，也就是通常所說的“滲氮鋼”。傳統(tǒng)的滲氮工藝滲氮周期長，滲氮層厚度難以掌握。為了克服傳統(tǒng)工藝的缺點，學者們也日漸發(fā)明了不少新型的工藝方法，比如，利用利用輝光放電原理，優(yōu)點是它可以用氮氣代替氨氣進行滲氮，稱為離子滲氮。輝光離子滲氮又叫離子滲氮，是一種在小于一個標準大氣壓的滲氮氣氛中，利用工件陽極和陰極之間的稀薄含氮氣體產(chǎn)生的輝光放電對金屬零件表面層進行強化滲氮的一種化學熱處理工藝。M.Frarady在1835年發(fā)現(xiàn)了低壓氣放電的現(xiàn)象，德國的Franz.skaupy在1920年發(fā)現(xiàn)在惰性氣體氣氛中能用輝光放電加熱金屬工件。Berghaus和美國J.Egan在1930年先后提出了在氣體放電的過程中進行鋼鐵離子滲氮的方案并且取得了專利，但由于當時怎樣在大電流輝光放電條件下獲得穩(wěn)定工作的難題未能解決，致使這種方案在發(fā)明后的30多年時間里一直未能投入到工業(yè)生產(chǎn)中。一直到20世紀五六十年代，隨著半導體、等離子體物理和電子技術的迅速發(fā)展以及不斷滲入發(fā)展的離子滲氮技術的研發(fā)，再加上滅弧技術和陰極輸電結構等難題的突破，離子滲氮技術日漸成熟，同時也使得離子滲氮工藝在工業(yè)上的應用有了可能性。1963年美國通用電器公司開始把離子滲氮技術應用在大重型動力機械零配件上。1967年原聯(lián)邦德國克羅克諾爾離子工程有限公司也開始對離子滲氮技術進行專業(yè)規(guī)劃生產(chǎn)，并對大規(guī)模的工藝與設備進行了可行性研究。從70年代開始，中國、前蘇聯(lián)、日本、荷蘭、德國、瑞士等國家也開始對離子滲氮技術進行研發(fā)與應用。80年代以后，離子滲氮技術就有了更廣闊的應用空間和發(fā)展空間，多樣性的化學熱處理工藝及各種先進的設備也為離子滲氮工藝的發(fā)展提供了更大的發(fā)展空間。主要發(fā)展方向是朝著更新離子滲氮技術的工藝設備，改善微機操控技術，擴大應用領域，在可靠性分析技術和人工智能的基礎上，使?jié)B氮溫度、流量、壓力、成分、密度、功率等工藝參數(shù)的程序優(yōu)化和自動控制得以實現(xiàn)，從而更進一步的提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低消耗。從l971年后，我國的某些科研單位、院校和一些工廠陸續(xù)開始先后投入人力物力財力，對離子滲氮工藝進行各方面的研發(fā)和運用。改革開放以來，由于企業(yè)的重組和市場需求的需要，在我國也逐漸形成了一些擁有離子滲氮生產(chǎn)設備的生產(chǎn)廠，與此同時也有了引進國外先進技術和資本的合資公司，所有的這些舉措都促進了我國離子滲氮技術工藝的發(fā)展。目前，離子滲氮設備技術已經(jīng)引入了計算機控制技術，使自動控制和工藝參數(shù)的優(yōu)化過程得以實現(xiàn)，同時研究開發(fā)了雙層輝光離子滲氮爐和脈沖電源離子滲氮爐，從而起到節(jié)材、節(jié)能、高效的作用。目前在我國有在20～1000KW之間的各種型號的離子滲氮爐近千臺。與普通的氣體滲氮相比，輝光離子滲氮技術工藝的特點是：可適當縮短滲氮周期；滲氮層脆性小；可節(jié)約能源和氨的消耗量；可把不需要滲氮的部分屏蔽起來，實現(xiàn)局部滲氮；離子轟擊有凈化不銹鋼的表面作用，能去除工件表面鈍化膜，使不銹鋼零部件直接滲氮；還可以控制滲氮層厚度和組織。離子滲氮技術發(fā)展迅速，已經(jīng)在不銹鋼、結構鋼、耐熱鋼、工模具鋼、鑄鐵以及粉末冶金材料中得到廣泛的應用，現(xiàn)從黑色金屬往有色金屬滲氮發(fā)展，并向燒結金屬材料推進。尤其是在在鈦合金滲氮中取得較好的效果。另外在表面改性領域中這一塊，在一定的范圍領域內(nèi)也開始了與鍍鉻工藝、等離子噴涂技術等的角逐。離子滲氮技術由于其本身的諸多優(yōu)點也越來越受到學者們的重視。

眾所周知，鐵素體不銹鋼由于富含鉻元素而有很好的抗腐蝕性，因此廣泛用于海洋、化學、食品、發(fā)電、煤礦等工業(yè)領域，但它強度和硬度較低，耐摩擦和磨損性能不好。所以多數(shù)不銹鋼零部件，由于表面嚴重磨損而過早失效，因此如何提高其表面耐磨性和硬度一直是鐵素體不銹鋼表面強化的研究焦點。然而，在大多數(shù)情況下是在表面硬度提高的同時其耐腐蝕性能也隨著下降。氮化處理是改善鐵素體不銹鋼的摩擦性能相對廣泛應用的表面工程技術。由于不銹鋼中富含強氮化物元素鉻，因此，通過在氮化層中鉻氮化物的析出會使不銹鋼表面產(chǎn)生硬的表化層。但是，也真正是由于其表面氧化層（如CrN2）的存在，因此在相對較低的溫度下的常規(guī)氣體很難滲氮，氮氣難于傳輸。在NH3氣氛中，為了獲得均勻的氮化層，在低于600℃下的條件下進行氣體氮化時，氮化前須實施各種預處理措施，例如用酸法除去氧化層等。但在離子氮的過程中，由于有比較強的陰極濺射作用，能有效地除去不銹鋼表面的氧化層，所以，在低于400℃時，氮氣也能較有效地傳輸。以下是不銹鋼離子滲氮的優(yōu)點：

  1. 因為不銹鋼表面通常會形成一層極致密的氧化鈍化膜，這層鈍化膜不僅堅固，而且能在很大程度上阻礙被滲元素的進入。在離子滲氮的過程中，由于會以擁有高速能勢的等離子體連續(xù)不斷轟擊工件表面層和由此引起的濺射效應可全面地打破不銹鋼表面的氧化鈍化膜和在滲氮的過程中再次引起的鈍化膜，從而能使金屬亞表層活化，這樣對與離子滲氮過程就更容易進行和實現(xiàn)。

  2. 離子滲氮不但能夠使得工件表層硬度高，而且還能增大硬化層的厚度，因此能夠得到更好的致密層。致密結實的滲層是獲得高耐磨性的基礎，有研究發(fā)現(xiàn)，在耐磨性方面，離子滲氮的零部件比氣體滲氮的零部件耐磨性高1倍，且滲層梯度相對較平緩，與基體部分無明顯界限，離子滲氮一般可在500～550℃下進行，且離子滲氮速度更快。

  3. 離子滲氮的溫度低速度快，所以比氣體滲氮的零件的耐蝕性、光潔度好，另外滲氮后單位面積增量形變小，不大于0.02ram，比氣體滲氮的小1倍，所以一般把其作為加工精密零部件的最后一道工序。

  4. 離子滲氮可以采用掩蓋的方法對零部件進行局部離子滲氮，使得未滲氮的零部件表面仍保持原有的性能。

  5. 離子滲氮可以相對較好的控制滲氮層組織結構，可通過添加催滲劑來改善滲氮效果。研究結果表明，采用稀土元素、丙酮、鈦、和其它活化劑共滲，滲氮速度有很大提高。