不锈钢管的发明是世界冶金史上的一项重大成』就。早在1931年,英国的Brearley报道含碳量为0.4%的钢当含铬为9%-16%时,具有良好的抗腐蚀性能。从此,在世界上最早发现了不锈钢管。目前,世界上工业先进国家的不锈钢管产量已达到占到本国钢总量的2.5%~3.5%。奥氏体不锈钢管不锈钢管中最重要的钢类,其生产量和使用量占不锈钢总产量及用量的70%

不锈钢管是指一些在大气、水、酸、碱等腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢的总称。目前,工业上常用的不锈钢管有马氏体不锈钢管、铁素体不锈钢管、奥氏体不锈钢管、奥氏体-铁素体复相不锈钢管、沉淀硬化不锈钢管五大类。奥氏体不锈钢管具有稳定的奥氏体组织。奥氏体不锈钢管是产量最大的一种钢,其产量和使用量占所有不锈钢管70%以上。奥氏体不锈钢管含有CrNiMnN等元素。主要♂成分为≥18Cr、≥8Ni18Cr8Ni的配合是世界各国奥氏体不锈钢管的典☆型成分。奥氏体不锈钢管除了具有高耐蚀性外,还具有高塑性,良好的⊙加工性能,良好的焊接性能,常温韧度和低温韧度好,一般情况下没有冷脆倾向。而且不具有磁〗性。由于奥氏体不锈钢管具有优异的性能,所以在石油、食品、化工、电力、交通、航空、航天、航海、国防等工业领域都有着广泛的应用。

奥氏体不锈钢管的一个显著缺点是其硬度低耐磨性差,在要求具有足够耐磨@ 性能的场合,这种材料的应用就受到很大的限制。

为了提高奥氏体不锈钢管的耐磨性,研究人员进行了一系列的研究。由于奥氏体不锈钢■在室温状态下使用时,是以奥氏体组织状态存在,奥氏体不锈钢管在加热时也不▽产生相变,因此无法用淬火、调质等传统的热处理技术进行表面硬化处理。人们通常︻采用渗氮或碳氮共渗的方法来提高奥氏体不锈钢管的表面耐磨性和表面硬度,其中QPQ盐浴复合渗氮处理技术由于生产成本低、污染小、操作简单的特点受到了人们的广泛关注。

目前,已有研究探索了♂将QPQ处理技术应用于奥氏ζ 体不锈钢管的表面改性,并取得良好的效果。但是针对QPQ处理工艺对304不锈钢管性能影响的研究较少且不Ψ全面。本文采用QPQ处理技术对304不锈钢管进行表面改性处理,采用X射线衍射和金相显微镜分析了经过QPQ处理后的不锈钢管的表面物相组▲成和显微组织,考察经QPQ处理后的304不锈钢管的耐磨性,探索了不同氮化时间的QPQ复合处理对304不锈钢管性能的影响。

试验结果和分析

金相组织

4-1304不锈钢管565℃不同时间盐浴氮化,随后进行430℃、40min后氧化处理试样的截面显微组织。从Ψ图中可以看出,经QPQ复合处理后的不锈钢管表♀面分为三层,由外㊣ 向内依次为氧化膜、化合物层及扩散层。表面的黑色氧化膜是在氧化盐中氧化形成的,其厚度仅为几微米,它有利于改善工件表面外观及耐磨性。由于氧化膜厚度较薄,且颜色较深,所以在图中难以被观察到。化合物层是氮化层中最重要的部分,是影响渗层耐磨性和抗蚀∞性的最主要因素。金相观察到的化合物层为白色组织,所以又称为白亮层,白亮层的主要物相为CrN和ε-Fe 2~3 N,具有比较高的硬度。扩散层位于化合物层与基体之间的过渡区域,在金相图中◆难以观察到,其成分主要为含氮扩展奥氏体(S)。从图中还可以看出,随※着氮化时间的延长,氮化层厚度略有增加,但增加幅度并不明显。此外,从图中还可以看出,随着氮化时间的延长,氮化层的致密程度逐渐增加。但随着氮化时间的进一步延长,304不锈钢管试样的表面疏松也逐渐增加。

氮碳氧元素浓度分布

4-2QPQ盐浴处理后的不锈钢管截面扫描电镜显微组织以及渗层的FeNCO浓度分布曲线。从图中可以看○出,渗层由两层组成,分别为表面氧化层和渗氮层。氧浓度的最高点位于表面氧化层内,随后随着距表面距离的增加而降低。氧浓度的最高值并非在试样的最表层,文献[66]也同样观察到了类似的现象。这种现象产生的具体原因还有待进一步研究。在距表面距离为10μm的位置,氮的浓度达到最高值。然后随着距表面距离的增加而不断降低。这与文献[67]观察到的现象一致。碳浓度的最高点同样处在距表面距离约为10μm的位置,浓度随着距表面距离的增加而逐渐降低。

XRD分析

4-3是经150min氮化和40min氧化处理后的试样及只经氮化未氧化的304不锈钢试样的X射线衍射图,从图中可以看出,经过QPQ盐浴复合处理的304不锈钢管表面主要由ε-Fe 2 NFe 3 O 4组成,而只经氮化的304表面由ε-Fe 3 NCrN组成。比较两个X射线衍射图,可以得知,不同处理方式的304不锈钢管试样表面都形成了ε相。ε相具有较高的硬度和耐磨性,对提高试样表面的力学性能有重要的作用。而氧化后形成的反☆尖晶石结构的Fe 3 O 4膜在摩擦过程可以降低试样表面的摩擦系数。

可以看出,在同样的实验条件下,原始样表面有较深的犁沟,表现出明显的磨粒磨损的特征。而经过处理后的304试样摩擦后都没※有犁沟样划痕,但同样也发现粘着现象。从图中还可以看出,经过QPQ氮化+氧化复合处理后的304不锈钢管,表面磨损现象比仅经过氮化处理的试样轻微,这说明经过∏氧化处理的304不锈钢管表面产生的氧化膜可以进一步提高其耐磨性能。

分析与讨论

从扩散的一般定律可知,在渗氮的前期,随着氮化时间的延长,金属表面化合物层的厚度逐渐增加。当渗氮时间超过一定值时,由于试样表面与内部的浓度梯度减小,造成活性原子的渗入缓慢,此时,化合物层厚度增加不明显。从经不同时间氮化的304不锈钢管的金相图中可以看出,随着氮化时间的延长,金属表面化合物层的厚度增加并不明显,出现这种现象的原因可能是试验时间设定不合理,渗氮时间超过了上述的渗氮时间的一定值。也有可能是QPQ盐浴复合处理可以在较短的时间内,在不锈钢管表面形成一定厚度的化合物层。

与未经处理的304不锈钢管试样相比,经过QPQ处理后的304不锈钢管表面硬度显著提高。304不锈钢管钢管表面硬度提高的主要原因是表面形成了ε相。此外,由于渗氮温度达到565℃,在金属表面▓Cr析出与N形成了铬氮化物。弥散√分布的铬氮化物也可以有效提高金属表面的硬度。但是Cr析出后造成金属表面的Cr浓度下降,从而在金属表面形成一层贫Cr区,使不锈钢管丧失了原先良好的耐※腐蚀性能。经过QPQ复合处理后的不锈钢管具有良好耐磨性的原因主要有以下几点:①表面形成了高硬度和良好耐磨性的ε相。②表面铬氮化→物的形成对金属表面起到了强化的作用。③经过后氧化处理的不锈钢管表面形成的Fe 3 O 4氧化膜,Fe 3 O 4具有反尖晶石结构,可以有效降╲低金属表面的摩擦系数,提高金属表面耐磨性。

小结

304不锈钢管QPQ处理后表面形成高硬度和高耐磨性的e相以及可以降低不锈钢管表面摩擦系数的Fe 3 O 4不锈钢管QPQ处理后表面硬度比原始试样提高5倍以上,耐磨性提高10倍以上。QPQ处理温度为565℃时,提高耐磨性的最佳氮化时间为150min