不锈钢管低温渗氮技术简介

传统的渗氮都在高温下(>500℃)完成,虽然提高了不锈钢管的表面硬度和耐磨性,但是导致的负面结果是CrN相的析出,造成基╱体贫Cr不锈钢管耐蚀性下降。1985ZhangBellAISI316不锈钢管400℃进行低温等离子渗氮,在不锈钢管表面得到一种新相如图1.2所示,并指出新相硬度高且具有和原材料相同的耐蚀性能[40]。不久Ichii[41]等也在400℃进行的低温渗氮得到了这种相,通过XRD,他们发现新相的峰与γ-Fe相比,向低角度移动。由于这种峰在ASTM指数中没有被ぷ列出来,Ichii把这些峰标记成S1-S5,如图1.3所示,并称这层新相为“S-Phase”,因此便有了S相这一名称。很快对S相的研究在国际上引起了科研学者的广泛兴趣,大量关于S相结构、制备工艺参数和应用的研究开始展开。S相从此成为表面工程研究领域的一个热点。

低温等离子渗氮,它利用辉光放电产生等离子体,在等离子体强电场作用下,高速的氢、氮正离子对工件表面进行轰击,氮将渗入工件表面,形成渗氮层。其具有很高的弥散度、硬度、热稳定性,因而材料的力学性能将得到较大提高。低温辉光等离子渗氮,经过近20多年应用研究,该技术在欧美日等国家已经成功地应用于工业化生产。国内开展奥氏体不锈钢管低温辉光等离子渗氮研究的主要有大连理工大学和青岛科技大学等。

随着研究的不断深入,人们对新∏相晶体学结构的认识不断增加,它的名字也在发生变化。1993Leyland第一次使用了“扩张奥氏体(expanded austenite)”这一名称,并指出它具有和奥氏体相同的FCC结构。此后,“S相”或者“扩张奥氏体”成为了这种新相的常用名称,经常出现在文献中。低温等离子渗氮处理已广泛应用于各种材料,取得了良好的效果。研究者们对于低温离子渗氮处理的研究也日趋成熟,从20世纪80年代开始,人们在发现扩展奥氏体(一般称为S相)的基础上,重点研究了奥氏体不锈钢管经低温离子渗氮处理后的显微组织、硬度分布、耐磨性能及耐蚀性的变化。

Sun等人对不同奥氏体不绣钢AISI316304321400~500℃的渗氮温度下的X射线特征普做了研究,分析了S相的形成原因及含氮量与温度的关系。研究发现,S相是一种类似于面心立方结构,但其晶格常数受含氮量的影响[53]X.Y.LiAISI316不锈钢管的低温等离子渗氮研究表明:S相与基体之间并没有产生明确的界面,且基体中的奥氏体晶界延伸到了S相中,S相中并没有产生新的晶界,因此S相只是一个N的扩散区。在S相中N急剧过饱和达到了22at%,而N在γ-Fe中的最大固溶度只有8.7at%,这是由于Cr-N键很强,CrN的吸引大,而在低温时Cr不能扩散,因此不能形成化合物。通过500℃退火发现,S相几分钟就分解成CrNN在γ-Fe中的『固溶体,而在350℃则需要上千个小时,说明S相是亚稳态的。

Li等利用直流等离子体渗氮技术对奥氏体不锈钢管350-480℃温度范围进行处理,采用环-块式磨损实验机,在对磨副为GGr15,实验载荷为30N,滑动速度为9.59cm/s的磨损条件下,研究了原始及改性AISI316L奥氏体不锈钢管无润滑磨损行为与机制。结果表明,当渗氮温度在350-400℃之间时,渗氮层含有单一的S,当渗氮温度为480℃时,渗氮层含有单一的CrN相。直流等离子体渗氮技术使AISI316L奥氏体不锈钢管的硬度与耐磨性得到提高,并且在此磨损实验条件下,含有单一S相的改性层显示出最佳的耐磨性能。原始AISI316L奥氏体不锈钢管的磨损机制主要为严重的粘着磨损、磨粒磨损与氧化磨损,而渗氮AISI316L奥氏体不锈钢管的磨损机制主要为轻微的氧化磨损与磨粒磨损。

低温等离子渗氮过程中氮的扩散

等离子体是由部分原子的电子被剥夺后及原子被电离后◣产生的正负电子组成的离子化气体状物质,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态,它广泛存在于宇宙中。等离子体呈电中性,其由相当数量的离子和电子组成,并具有一定的电磁学性质,例如等离子体中带电粒◤子的热运动和扩散及电场作用下的迁移,是物质的一种能量较高的聚集态。

等离子体渗氮是在辉光放电条件下进行的渗氮过程,气氛中气体分子的电离度约在10-6数量级。对于离子渗氮的机制一直存有争议,较为有影响的理论有以下几种:氮氢分子离子模型理论,阴极溅射理论,中性活性氮原子渗入理论,其中阴极溅射理论更普遍的被人们接受,下面予以介绍。

气体氮化是氨气分解产生活性氮原子,进而活性氮原子渗入工件表面,而等离子体氮化所需的活性氮原子则是由等离子体环境中含氮离子在工件表面聚集而成。图1.4为等离子体渗氮的示意图

可以将离子氮化这个复杂的过程分解为以下四步:

(1)在电场的作用下,氮原子或含氮分子电离成氮离子与电子。在电场力作用下带正电的氮离子向工件(负极)方向加速运动,而电子则向正极方向加速运动。

(2)电子在电场作用下获得很高的∏能量,运动过程中与中性气体原子或分子碰撞,使气体进一步电离,或成为激发态的原子。当激发态原子返回基态时会伴有能量的释放,其中部分能量则转化为可见光覆盖工件表面形成辉光。

(3)在电场作用下,氮离子群加速向工件表面运动,并以▓极高的速度轰击工件表面,氮离子携带的相当一部分能量会在碰撞过程中转化为热能,对工件进行加热,同时将工件表面FeCO等原子撞出工件表面,在此中过程会产生二次电子,被撞出的Fe又会与N原子结合为FeN,随后重新吸附到工件表面,二次电子在电场作用下向正极加速运动,并与气氛中的分子或原子发生碰撞,产生新的离子,使放电过程得以持续。

(4)吸附工件表面的FeN会逐渐分为解含氮较低的化合物,如Fe 2-3 NFe 4 N等,而分解产生的一部分氮原子则会渗入工件表面形成渗层;还有部分氮原子回到气氛中再次结合成FeN化合物。这一过程连续进行,使工件实现渗氮的目的。

低温等离子渗氮技术的特点

低温等离子渗氮一种高性能渗氮方法,对不锈钢管进行低温等离子渗氮可以在不锈钢管表面获得一层渗氮层,渗氮层没有氮的化合物析出,其硬度高、属于亚稳定的间隙过饱和相。从而在不降低其耐蚀性,但能提高其耐磨性和硬度。低温等离子渗氮技术还具有渗氮层厚度和组织可以控制、渗氮速度快、工件变形小、无污染、无需前处理、并具有净化表面的作用等优点,可以大幅延长不锈钢管的使用寿命,尤其是在摩擦磨损的工〓况环境中,节省成本。

但在等离子体渗氮过程中,工件作为气体放电装置的阴极,因此传统的等离子渗氮技术存在一些难以解决的固有问题:

1.边缘效应,置于辉光等离子体中的零件,距离边角不同距离处的电荷密度是不同的,这就导致距离边角不同位置处离子轰击强度不同,从而导致渗氮层的组织与性能不均匀,即边缘效应。

2.空心阴极效应,等离子渗氮处理过程中,若工件的两部分距离太近(比如说小直径的深孔或者窄缝),或者工件相互之间的间距太小时,将会产生空心阴极效应。即在气体产生辉光放电时,零件的两部分或两零件之间距离小时,它们作为两个独立的阴极产生辉区重叠,电子在两阴极间来回震〒荡,从而成倍增加了电子与容器内气体分子碰撞的几率,因此能引起更多的分子被激发后电离,气体放电辉光强度将被急剧的增大,从而引起小孔、窄缝或者近距离两工件壁过■热,甚至部分熔化。

3.表面打弧,待处理工件表面未清洗干净,残留有油溃等挥发性物质,在用传统等离子体渗氮处理过程中,这些易挥发低熔点◆物质容易引发弧光放电,产生极高的局部温度,熔化金属,从而烧伤工件表面。