奥氏体不锈钢因其耐腐蚀性、易成形性和焊接性而被广泛应用于工业领域。它们在许多腐蚀性环境中具有良好的耐腐蚀性,这是由于其表面有一层钝化膜,主要由氧化铬构成,如果受到损伤,该钝化膜可以自愈№,并保护合金不受周围介质的腐蚀。由于镍、锰和氮等奥氏体稳定元素的存在,这些合金的面心立方结构得以保持。在广泛使用的AISI300系列奥氏体不锈钢中,镍的含量相当高(通常为8wt%或更高)。

奥氏体不锈钢的工业应用受到其低硬度和较差的摩擦↑学性能的限制,损害了部件的磨】损性能。此外,尽管这些合金具有良好的抗一般腐蚀能力,但在特定的环境中,特别是在」含氯离子的溶液中,它们会发生局部腐蚀。在用于改善奥氏体不锈钢耐磨性和耐腐蚀性的表面工程技术中,低温氮化技术近年来受到越来越多的关注。处理温度低于450℃,可以避免大量CrN的析出,从而降低了的耐腐蚀性。通过这种方式,在膨胀变形的奥氏体晶格中形成了氮的过饱和固溶体,通称膨胀①奥氏体,它具有较高的硬度,并且在含氯离子的溶液中具有更好的耐腐蚀性。许多研究致力于研究该相的结构和性质,以及能够产生该相的处理技术。这些研究通常使用一种单一的钢类型,以证明不同的氮化技术或处理参数的影响。特别是镍、钼、铬对钢↓成分的影响进行了研究。最近的研究还涉及低合金元素如铜和铌的钢,或生物相容性改善的高氮和无镍不锈钢。科学文献分析表明,所用钢材主要为300系列;有限的研究关注低镍合金,如17Cr-15Mn-4NX50CrNiNbN219,或无镍F2581,它们有特殊用途。

本研究直接比较了低温氮化对AISI300系列奥氏体不锈钢改性表面层性能的影响。选择了三种大型商用钢,即CrNiAISI304LAISI316LAISI321。采用辉光放电渗氮技术进行渗氮处理。研究了氮化试样的组织、相组成、硬度和耐蚀性,并与未处理的试样进行了比较。

可以看出,300系列奥氏体不锈钢低温渗氮后形成明显的双渗氮层,没有明显的析出物。对300系列奥氏体不锈钢低温离子渗氮处理时,试样周围发生辉光放电,辉光覆盖工件表面,通过轰击溅射◥产生大量的活性氮,活性氮由工件表面扩散进入基体而形成双渗氮层,由于渗氮温度为380℃,渗氮╳层经腐蚀后呈白亮层,AISI304L渗氮层有少许析出物,而AISI316LAISI321渗氮层没有形成黑色层,表明没有析出。对比300系列奥氏体不锈钢渗氮层金相组织可以发现,低温离子渗氮对300系列奥氏体不锈钢的组织形貌影响不大,均形成双渗氮层。

对于300系列奥氏体不锈钢,试样渗氮后渗氮层中N元素分布均匀,没有明显的富集,AISI304L渗氮层最厚,AISI316L渗氮层次之,AISI321渗氮层最薄,进一步进行EPMA线扫描发现,300系列奥氏体不锈钢,其N元素表面最多,越靠近基▓体,N元素含量越低,呈递减分布,如图5.2(a)(b)(c)所示,渗氮层中Cr元素也基本没●有变化,EPMA面扫描表示,300系列奥氏体不锈钢没有明显的Fe元素富集,由此推测,渗氮层没有析出Fe4N相,这与图5.1金相组织ξ相符合。Ni元素及Mo元素在整个渗层及基体中分布很均匀,没有发生明显的富集,且其横截面含量没有变化,说明NiMo元素在渗氮中很稳定,不会形成氮ξ 的化合物。

(1)380℃低温辉光等离子渗氮处理12h后,300系列奥氏体不锈钢试样表层获得了双渗氮层,结合金相及EPMA分析,试样渗氮后渗氮层中N元素分布均匀,没有明显的富集,其N元素表面最多,越靠近基体,N元素含量越低,呈递减分布,渗氮层中Cr元素也呈现同样的规律,Ni元素及Mo元素在整个渗层及基体中分布很均匀,没有发生明显的富集,且其横截面含量没有变化,说明NiMo元素在渗氮中很稳定,不会形成氮的化合物。

(2)渗氮层提高了300系列奥氏体不锈钢表面硬度,渗氮试样表面硬度相比未渗氮试样表面硬度提高了4~5倍,渗氮层的整体硬度和耐磨性比不锈钢♂基体高很多,γN相ζ 显著提高了300系列奥氏体不锈钢表面的硬度,AISI304L渗氮后渗层最厚,表面硬度最』高,其所对应的摩擦系数最小,摩擦系数在0.75左右,AISI316L渗氮渗层及表面硬度相比AISI304L较低,其渗层所对应的摩擦系数较AISI304L渗层的摩擦系数较大,摩擦系数在0.82左右,AISI321渗氮渗层最薄,表面硬∏度最小,其所对应的摩擦系数最大,摩擦系数在0.96左右。

(3)300系列奥氏体不锈钢低温渗氮后,点蚀电位和300系列奥氏体不锈钢基体维持在同一水平,点蚀电位在-0.4115V左右,AISI304L渗氮后试样腐蚀〓电流为8.522×10-7A/cm2,腐蚀电流相比╲AISI304L基体减小了一个数量级,AISI316L渗氮后试样腐蚀电流为3.165×10-6A/cm2AISI321渗氮后试样腐蚀电流为3.441×10-6A/cm2,与基体相差不大。