目前不锈钢S相渗层技术商业应用主要集中在法国、美国、英国、丹麦和日本。公开报道的技术主要有荷兰Bodycote公司Kolsterising技术,英国的活性屏离子渗氮技术,日本Air WaterNihon Parkerizing公司,美国Swagelok公司,加拿大Nitrex渗氮技术。其中,低温离子渗氮研究目前研究报道最多,有离子渗碳(PC)、离子渗氮(PN)和离子氮碳共渗(PCN)。其它低温渗№氮技术都十分保密,至今仍未公开报道其处理方法及工艺。

低温渗氮的部分专利技术如表1.4所示。其中Swagelok申请专利较多。此外,瑞典桑德维克知识产权股份有限公司申请了中国专利(CN101184863A),在不锈钢金属条的表面涂敷一层镍、钌、钴、钯或它们的合金,实现了低温渗氮。同传统气体渗氮一样,涂敷表面活化层前需要用化学法除去表面的氧化膜。此外,还有一些专利EP0248431B1采用在奥氏体不锈钢表面电化学镀铁进行气体渗氮。但是由于渗氮温度较高,在575℃×2h获得了氮化铬相,降低了腐蚀性能。

EP1095170采用了同样的表面预处理,在低温下进行气体渗碳。NL1003455在碳钢或合金钢表面镀一层镍进行气体渗氮,镍可以保护零件表面免受氧化,并作为氨气的催化剂,在400℃获得了无孔化合物层。不锈钢S相渗层产品在欧洲、美国、日本、韩国已经广泛用。例如,日本的Air Water公司的NV-Poiniter低温渗氮技术应用与螺丝、不锈钢装饰产品;韩国SuperlokPowerlok不锈钢卡套式接头;美国ParkerSwagelok卡套管接头、阀门、调压阀等产品都具有核心保密不锈钢表面硬化技术支撑,使其成为世界一流的不锈钢产品零件供应商。然而,目前国内仅有低温化学热处理技术研究应用报道,未见其它低温渗氮、渗氮生产厂家的报道。其主要原因:

(1)国外对低温化学热处理生产的技术不仅申请了专利保护,还进行了技术封锁,国内厂家可以购买其产品,但难以引进其技术进行技术革新;

(2)缺乏国家政策的导向性。自90年代以来化学热处理领域研究论文日益减少,该领域申请研究课题困难,因此国内研究团队少,研究报道更少。而国外对热处理一直有团队在持续研究,例如Birmingham大学原来〓由Bell领导的实验室、丹麦技术大学的Somers实验室。美国能源部曾对Swagelok公司进行了大额度的研究开发资金支持(CPS#16948),其成果获得了2006年工程材料成就奖。

(3)机械零件生产厂家对S相技术工业应用前景未给予充分的关注和重视。目前国内热处理一般是公司根据自己产品需要,设立的热处理车间或热处理分厂,缺少研发实力。另外,热处理门槛低,企业生产能力良莠不齐,而使用客户对热处理又缺乏标准的产品检测验收能力,造成了热处理行业无序商业竞争,使得专业ζ热处理厂家效益低下,无法去专注低温渗氮技术的开发与应用。

本论文的研究目的和内容

对奥氏体不锈钢进行表面渗氮,理想的情况是ζ ,在大幅提高表面耐磨性能及硬度的同时,尽量保留不锈钢本身优秀的耐腐蚀性能,甚至希望通过表面渗氮进一步提升其耐腐蚀性能,但目前研究报道尚缺乏比表面积(辉光覆盖表面积与工件质量之比)对离子渗氮层形貌、渗层厚度、耐磨性影响的工作。本论文通过不同比表面积,以AISI 316L奥氏体不锈钢为试验材料,经380℃低温辉光等离子渗氮处理12h后,研究了316L奥氏体不锈钢的组织、渗层厚度、硬度以及耐磨损性能、耐腐蚀性能,对于工件尺寸影响渗氮效果具有一定的参考作用。为了与316L奥氏体不锈钢作为对比,本文还对304L奥氏体不锈钢及321奥氏体不锈钢进行了相同工艺的低温等离子渗氮,研究其低温渗氮后的组织与耐磨损、耐腐蚀性能。具体分为以下几个部分:

(1)通过金相组织、XRDEPMA、硬度,对不同比表面积AISI316L奥氏体不锈钢组织、渗层厚度、硬度进行研究,以◤得到不同比表面积对AISI316L奥氏体不锈钢低温等离子渗氮组织、渗层厚度、硬度的影响规律。

(2)通过摩擦系数,磨痕形貌分析,对不同比表面积AISI316L奥氏体不锈钢辉光等离子体渗氮试样进行研究,以得到不同比表面积对AISI316L奥氏体不锈钢表面渗氮层组织与摩擦磨损性能的关系,探索比表面积对AISI316L奥氏体不锈钢辉光等离子体渗氮组织与摩擦磨损性能的影响规律。

(3)通过电化学工作站,测得不同比表面积AISI316L奥氏体不锈钢低温渗氮后试样得极化曲线,以得到不同比表面积对AISI316L奥氏体不锈钢低温渗氮后的耐腐蚀性能变化规律。

(4)AISI 304LAISI316LAISI321三种奥氏体不锈钢为试验材料,经380℃低温辉光等离子渗氮处理12h后,通过组织分析↓,相分析,表面硬度分析,摩擦磨损性能分析,极化曲线分析,测出300系列奥氏体不锈钢低温渗氮处理后的组织与性能关系。