一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法及步骤

　　

　　本发明属于不锈钢表面硬化涂层制备技术领域，具体涉及一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法。

　　背景技术：

　　奥氏体不锈钢是常温下具有奥氏体组织的不锈钢，含cr约18％、ni约8％～10％、c约0.1％时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体不锈钢具有高韧性和塑性，但强度较低，奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的类型，该类不锈钢有极好的抗腐蚀性，无磁性和生物相容性，同时组织及性能对温度变化反应小，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70％，在化工，海洋、石油化工、仪表制造、食品生物，医学等行业中得到广泛使用。尽管奥氏体不锈钢应用广泛，仍然具有一些需要攻克的难题。它的耐蚀性要求含碳量很低(含碳量一般低于0.03％)，才可显著提高耐晶间腐蚀性能；其性能由独特的组织决定，无法通过相变来强化其表面性能，这些奥氏体不锈钢自身的特性导致实际应用时硬度偏低(200hv5～250hv5)，表面极软，难以承受摩擦损伤，抗磨损性能较差，制约了在特殊工况下经受剧烈摩擦环境的应用。

　　为了提高奥氏体不锈钢的硬度，通常的做法是对表面进行防护，通过渗氮、渗碳或者渗铬等化学热处理方法对表面进行强化，保留心部硬度不变，能够极大地提高表面硬度，抗磨损性能也得到极大提升，其中渗氮和渗碳随着cr的碳、氮化合物的析出，其表面耐蚀性能明显降低，且得到的涂层厚度较薄，难以满足在恶劣条件下的使用，而渗铬可以得到较厚的渗层，可以满足复杂工况的要求。

　　目前，已有的发明专利以及论文中采用的渗铬工艺渗层形成的速率都较低或得到的渗层厚度都较薄，公开号为cn101168833a的专利中公开了一种固态渗铬工艺，该工艺渗铬3h～6h得到的渗层厚度为10μm～20μm，渗层平均生长速率约3μm/h；公开号为cn105177596a的专利中公开了一种工具钢气体渗铬和淬火结合的工艺，该工艺保温10h得到的渗层厚度为10μm～20μm，渗层平均生长速率约1μm/h～2μm/h。

　　现有技术中的渗铬主要通过活性铬原子在不锈钢的表面富集，与不锈钢的内部产生浓度差，从而给活性铬原子渗入不锈钢中提供了扩散驱动力，但这种扩散驱动力往往较小，导致了渗铬的时间长，渗铬层厚度低的不足。因此需要一种能够提高活性铬原子扩散驱动力的渗铬方法。

　　技术实现要素：

　　本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法。该方法通过在高压条件下对奥氏体不锈钢进行渗铬处理，给渗铬处理中活性铬原子向奥氏体不锈钢方向提供了更强的驱动力，提高了反应产生的活性铬原子的扩散速率，使奥氏体不锈钢表面富集的活性铬原子更容易的渗入到奥氏体不锈钢中，从而提高了渗铬层的厚度和渗铬速率，提高了渗铬处理的生产效率。

　　为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法，该方法包括以下步骤：

　　步骤一、将奥氏体不锈钢依次进行逐级打磨、清洗和烘干；

　　步骤二、将步骤一中经烘干处理后的奥氏体不锈钢放入到渗铬罐的中心，并用渗铬剂将渗铬罐内填满，然后将渗铬罐加盖，得到填满后的渗铬罐；

　　步骤三、将步骤二中经填满后的渗铬罐进行渗铬处理，得到表面具有渗铬层的奥氏体不锈钢；所述渗铬处理的过程为：将经填满后的渗铬罐放置于电阻炉内后向电阻炉内通入高纯ar气，使电阻炉内压力达到0.15mpa～0.40mpa，然后升温至1050℃～1120℃后保温10h～20h，再冷却至室温，在渗铬罐内得到表面具有渗铬层的奥氏体不锈钢；所述渗铬层的厚度达90μm～220μm。

　　本发明通过将奥氏体不锈钢进行逐级打磨、清洗和烘干处理，去除了奥氏体不锈钢表面的氧化皮等杂质，保证了奥氏体不锈钢表面光滑且干净，有利于活性铬原子在奥氏体不锈钢表面富集，从而保证了渗铬处理的顺利进行；本发明通过将奥氏体不锈钢放入渗铬罐，并用渗铬剂填满和加盖，使奥氏体不锈钢与渗铬剂同处在一个较小空间内，使后续渗铬处理反应产生的卤化铬气体充分与奥氏体不锈钢接触，保证了渗铬反应更加顺利进行，防止了后续抽真空时渗铬剂进入机械泵造成泵体损坏；本发明在渗铬处理中通入高纯ar气，防止了奥氏体不锈钢被氧化，保证了渗铬反应的顺利进行，通过控制电阻炉内的压力、温度和保温时间，给渗铬处理中活性铬原子向奥氏体不锈钢方向提供了更强的驱动力，提高了反应产生的活性铬原子的扩散速率，使奥氏体不锈钢表面富集的活性铬原子更容易的渗入到奥氏体不锈钢中，从而提高了渗铬层的厚度和渗铬速率，同时保证了奥氏体不锈钢具有合适的晶粒组织，防止了温度过高导致的晶粒过于粗大，奥氏体不锈钢力学性能降低的不足，防止了温度过低导致的反应效率低的不足，避免了压力过小导致的渗铬效率低的不足，避免了压力过大导致的电阻炉难以承受的不足；本发明通过控制渗铬处理的工艺参数，保证了渗铬处理后渗铬剂不会结块，减少了取出表面具有渗铬层的奥氏体不锈钢的工作量，提高了工作效率。

　　上述的一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法，其特征在于，步骤一中所述清洗的过程为：将经逐级打磨后的奥氏体不锈钢依次在丙酮溶液和乙醇溶液中进行超声；所述超声的时间均为10min～30min；所述丙酮溶液的质量分数为50％～65％，乙醇溶液的质量分数为75％～99％。本发明通过在丙酮溶液和乙醇溶液中进行超声，完全去除了奥氏体不锈钢表面的杂质，保证了奥氏体不锈钢表面光滑且干净，有利于活性铬原子在奥氏体不锈钢表面富集，实现了渗铬处理的顺利进行；本发明采用该质量分数的丙酮溶液和乙醇溶液，具有廉价易得的优点。

　　上述的一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法，其特征在于，步骤二中所述渗铬剂由以下质量百分比的原料混合而成：铬50％，氧化铝48％，氯化铵2％。本发明采用的渗铬剂具有渗铬效果好，廉价易得的优点。

　　上述的一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法，其特征在于，步骤三中所述高纯ar气的质量纯度不小于99.999％，所述渗铬处理中升温的升温速率和冷却的降温速率均为3℃/min～10℃/min。本发明通过控制ar气的质量纯度，保证了在通入ar气的过程中不带入其他杂质，避免了杂质对渗铬处理的影响；本发明通过控制升温速率和降温速率，保证了奥氏体不锈钢在升温和冷却过程中温度均匀，使奥氏体不锈钢整体具有相同的温度，从而保证了渗铬层均匀的分布在奥氏体不锈钢表面。

　　上述的一种奥氏体不锈钢表面高压渗铬的方法，其特征在于，步骤三中所述渗铬层的表面硬度大于500hv5。本发明表面具有渗铬层的奥氏体不锈钢的渗铬层的表面硬度大于500hv5，显著的提高了基材奥氏体不锈钢的耐磨性能。

　　本发明与现有技术相比具有以下优点：

　　1、本发明通过在高压条件下对奥氏体不锈钢进行渗铬处理，给渗铬处理中活性铬原子向奥氏体不锈钢方向提供了更强的驱动力，提高了反应产生的活性铬原子的扩散速率，使奥氏体不锈钢表面富集的活性铬原子更容易的渗入到奥氏体不锈钢中，从而使渗铬层的厚度达90μm～220μm，平均渗铬速率达6μm/h～16μm/h，提高了渗铬处理的生产效率，采用表面具有渗铬层的奥氏体不锈钢制备的零件的寿命也有明显的提高。

　　2、本发明的渗铬层与奥氏体不锈钢界面结合良好，渗铬层组织均匀致密，层次分明且界面连续，涂层的硬度较高且耐磨性好。

　　3、本发明的包埋法渗铬为成熟的、应用广泛的制备方法，工艺过程简单，性能稳定，可重复性良好，且反应后渗铬剂不会出现结块现象，减少了取出的工作量，适宜于大规模推广使用。

　　下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

　　附图说明

　　图1是本发明实施例1的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的截面使用王水腐蚀10s后的光学显微镜图。

　　图2是本发明实施例1的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的能谱线扫描示意图。

　　图3是本发明实施例1的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的渗铬层的x射线衍射图。

　　具体实施方式

　　实施例1

　　本实施例包括以下步骤：

　　步骤一、将316h奥氏体不锈钢依次使用180#，400#，1200#砂纸进行逐级打磨，之后在质量分数为60％的丙酮溶液中超声清洗10min，然后在质量分数为99％的乙醇溶液中超声清洗10min，再进行烘干处理；

　　步骤二、将步骤一中经烘干处理后的316h奥氏体不锈钢放入到渗铬罐的中心，并用渗铬剂将渗铬罐内填满，然后将渗铬罐加盖，得到填满后的渗铬罐；所述渗铬剂由以下质量百分比的原料混合而成：铬50％，氧化铝48％，氯化铵2％；

　　步骤三、将步骤二中经填满后的渗铬罐进行渗铬处理，得到表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢；所述渗铬处理的过程为：将经填满后的渗铬罐放置于电阻炉内后向电阻炉内通入质量纯度为99.999％的ar气，使电阻炉内压力达到0.15mpa，然后以10℃/min的升温速率升温至1090℃后保温15h，再以10℃/min的降温速率冷却至室温，在渗铬罐内得到表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢。

　　经检测，本实施例表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的渗铬层的厚度为100μm，硬度为570hv5，平均渗铬速率为8μm/h，检测后的渗铬层致密连续，与316h奥氏体不锈钢结合良好，未出现裂纹与剥落现象。

　　图1是本实施例的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的截面使用王水腐蚀10s后的光学显微镜图，从图1可以看出，本实施例的渗铬层层次分明、界面连续，渗铬层的厚度为100μm。

　　将本实施例的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢用扫描电子显微镜进行观察，得到了扫描电镜图，然后在扫描电镜图的基础上进行eds能谱线扫描，得到了图2，从图2可以看出，本实施例的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的渗铬层中的铬元素含量很高且分布均匀，其他元素如碳、镍、钼和锰等含量较低，对表征渗铬层无影响。

　　图3是本实施例的表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的渗铬层的x射线衍射图，从图3可以看出，本实施例的渗铬层中的主要物相为cr23c6相。

　　对比例1

　　本对比例包括以下步骤：

　　步骤一、将316h奥氏体不锈钢依次使用180#，400#，1200#砂纸进行逐级打磨，之后在质量分数为60％的丙酮溶液中超声清洗10min，然后在质量分数为99％的乙醇溶液中超声清洗10min，再进行烘干处理；

　　步骤二、将步骤一中经烘干处理后的316h奥氏体不锈钢放入到渗铬罐的中心，并用渗铬剂将渗铬罐内填满，然后将渗铬罐加盖，得到填满后的渗铬罐；所述渗铬剂由以下质量百分比的原料混合而成：铬50％，氧化铝48％，氯化铵2％；

　　步骤三、将步骤二中经填满后的渗铬罐进行渗铬处理，得到表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢；所述渗铬处理的过程为：将经填满后的渗铬罐放置于电阻炉内后向电阻炉内通入质量纯度为99.999％的ar气，使电阻炉内压力达到0.1mpa，然后以10℃/min的升温速率升温至1090℃后保温15h，再以10℃/min的降温速率冷却至室温，在渗铬罐内得到表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢。

　　经检测，本对比例表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的渗铬层的厚度为30μm，硬度为380hv5，平均渗铬速率为2μm/h，检测后的渗铬层表面出现了较多裂纹，较为疏松且脆。

　　通过对比例1和实施例1对比可以看出，当渗铬处理中的压力小于0.15mpa时，得到的渗铬层厚度小，渗铬速率慢，且渗铬层表面出现了较多裂纹，较为疏松且脆。

　　实施例2

　　本实施例包括以下步骤：

　　步骤一、将316l奥氏体不锈钢依次使用180#，400#，1200#砂纸进行逐级打磨，之后在质量分数为50％的丙酮溶液中超声清洗10min，然后在质量分数为80％的乙醇溶液中超声清洗10min，再进行烘干处理；

　　步骤二、将步骤一中经烘干处理后的316l奥氏体不锈钢放入到渗铬罐的中心，并用渗铬剂将渗铬罐内填满，然后将渗铬罐加盖，得到填满后的渗铬罐；所述渗铬剂由以下质量百分比的原料混合而成：铬50％，氧化铝48％，氯化铵2％；

　　步骤三、将步骤二中经填满后的渗铬罐进行渗铬处理，得到表面具有渗铬层的316l奥氏体不锈钢；所述渗铬处理的过程为：将经填满后的渗铬罐放置于电阻炉内后向电阻炉内通入质量纯度为99.999％的ar气，使电阻炉内压力达到0.20mpa，然后以5℃/min的升温速率升温至1050℃后保温15h，再以5℃/min的降温速率冷却至室温，在渗铬罐内得到表面具有渗铬层的316l奥氏体不锈钢。

　　经检测，本实施例表面具有渗铬层的316l奥氏体不锈钢的渗铬层的厚度为90μm，硬度为580hv5，平均渗铬速率为6μm/h，检测后的渗铬层致密连续，与316l奥氏体不锈钢结合良好，未出现裂纹与剥落现象。

　　实施例3

　　本实施例包括以下步骤：

　　步骤一、将316h奥氏体不锈钢依次使用180#，400#，1200#砂纸进行逐级打磨，之后在质量分数为65％的丙酮溶液中超声清洗10min，然后在质量分数为75％的乙醇溶液中超声清洗20min，再进行烘干处理；

　　步骤二、将步骤一中经烘干处理后的316h奥氏体不锈钢放入到渗铬罐的中心，并用渗铬剂将渗铬罐内填满，然后将渗铬罐加盖，得到填满后的渗铬罐；所述渗铬剂由以下质量百分比的原料混合而成：铬50％，氧化铝48％，氯化铵2％；

　　步骤三、将步骤二中经填满后的渗铬罐进行渗铬处理，得到表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢；所述渗铬处理的过程为：将经填满后的渗铬罐放置于电阻炉内后向电阻炉内通入质量纯度为99.999％的ar气，使电阻炉内压力达到0.40mpa，然后以3℃/min的升温速率升温至1120℃后保温20h，再以3℃/min的降温速率冷却至室温，在渗铬罐内得到表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢。

　　经检测，本实施例表面具有渗铬层的316h奥氏体不锈钢的渗铬层的厚度为220μm，硬度为550hv5，平均渗铬速率为16μm/h，检测后的渗铬层致密连续，与316h奥氏体不锈钢结合良好，未出现裂纹与剥落现象。

　　以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。