AISI304和AISI316奧氏體不銹鋼氣體滲碳腐蝕磨損性能分析

彭恩高，周陽寧，李 朋

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AISI304和AISI316奧氏體不銹鋼氣體滲碳腐蝕磨損性能分析

彭恩高1，周陽寧1，李 朋2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢武鋼華工激光大型裝備有限公司，武漢 430223）

本文提出了低溫氣體滲碳工藝，通過對AISI304和AISI316進行低溫氣體滲碳處理，研究了這兩種奧氏體不銹鋼的低溫滲碳組織性能，發(fā)現(xiàn)該工藝具有兼顧表面強度與耐蝕性能的特點。試驗結(jié)果表明：在同一滲碳時間下，滲碳氣體溫度越高，不銹鋼表面的硬度就越大，其耐磨性就越強，這證明不銹鋼的耐磨性與其表面硬度的大小是成正比例。在同等試驗條件下，AISI316可以獲得比AISI304更優(yōu)的綜合性能。

奧氏體不銹鋼 氣體滲碳 滲碳組織 腐蝕 磨損形態(tài)

0 引言

奧氏體不銹鋼在石油、化學(xué)、輕工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，典型零件如水泵、齒輪、管道、閥門閥座等。過濾器、管接頭、球閥等化工行業(yè)領(lǐng)域流體件不但要有良好的耐蝕性能，而且需要一定的耐磨性能，從而保證其在反復(fù)的使用中不會因為磨損導(dǎo)致尺寸變小致使工件失效或是長時間的腐蝕造成化工液體滴、漏、跑等現(xiàn)象。常規(guī)化學(xué)熱處理、熱噴涂、表面沉積、離子注入等表面強化手段，容易引起耐蝕性下降、涂層剝落，或是工藝操作困難、強化效果差[1-2]。因此，突破奧氏體不銹鋼表面強度提高伴隨腐蝕性能下降的悖論，尋求抗磨損性能和耐腐蝕性能的最佳配合，是擴大奧氏體不銹鋼應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

自20余年前人們發(fā)現(xiàn)固溶強化作用可以實現(xiàn)奧氏體不銹鋼的耐蝕強化后，歐美等國家采用多種技術(shù)手段，開展低溫化學(xué)熱處理技術(shù)的應(yīng)用研究，促進低溫氣體滲碳技術(shù)日趨成熟，其成套處理工藝已形成專利加以保護[3]。但是，在我國該技術(shù)仍屬空白。最近10年，美國Swagelock公司、日本Airwater以及荷蘭Kolsterising公司相繼解決了低溫氣體滲碳工藝中關(guān)鍵難題，其中美國Swagelock公司和荷蘭Kolsterising公司的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并將其技術(shù)成功地應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，出于對產(chǎn)業(yè)的保護，研發(fā)技術(shù)及設(shè)備禁售中國。在縮短技術(shù)的時間差距，全面突破歐美技術(shù)壟斷和貿(mào)易壁壘嚴峻形式下，為了有效地解決奧氏體不銹鋼低溫滲碳工藝的技術(shù)難題，達到既提高表面強度又提高耐蝕性的目的，實現(xiàn)兩者兼而有之。在此基礎(chǔ)上，本文采用低溫滲碳工藝對AISI304和AISI316奧氏體不銹鋼表面進行強化，進行相關(guān)試驗研究。該工藝近年來發(fā)展迅速，并且不影響奧氏體不銹鋼的耐蝕性能。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用自主研發(fā)的低溫氣體滲碳爐作為滲碳設(shè)備，主要由氣路和電路兩個控制系統(tǒng)組成。氣路控制滲碳氣氛，電路控制加熱溫度及恒溫保溫時間。詳見圖5(a)、(b)、(c)所示。

圖1 低溫氣體滲碳爐實物圖

1.2 試驗材料

AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼試樣，尺寸20 mm×20 mm×3 mm，用砂紙打磨試樣表面。試樣化學(xué)組成見表1。試樣入爐處理前，依次經(jīng)過堿洗→清水去污→無水乙醇脫水→烘干等工序處理。

試驗條件：真空度為1.33×105Pa，氮碳氫混合氣工作氣源N2:CO:H2=50%:(10-40%):10%，450～500℃，48 h。滲碳前預(yù)處理溫度150~400℃，N2與Rx混合氣體氛圍，時間控制在1~4 h。采用低溫氣體滲碳對試樣進行表面處理后，隨爐冷卻至室溫取出樣品。工藝參數(shù)見表2，工藝示意圖見圖2。

表1 試樣材料化學(xué)成分（wt%）

圖2低溫氣體滲碳工藝示意圖

表2 AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳工藝參數(shù)

試驗采用氯化鐵鹽酸試劑顯示滲碳層金相組織，對試樣采取重腐蝕并觀察組織結(jié)構(gòu)，區(qū)分硬化層組織與基體組織。利用XJX-1型金相顯微鏡進行金相組織觀察，采用HXS-1000AK型顯微硬度計測量硬度，使用XRD-6000 X-ray Diffractometer（日本島津公司生產(chǎn)）分析滲層相結(jié)構(gòu)。采用HXS-1000AK型數(shù)字硬度計（上海尚光顯微鏡有限公司生產(chǎn)）測量試樣的維氏硬度，載荷25 g，加載時間10 s，采用Profiler HR型輝光發(fā)射光譜儀（GDOES）（Horiba Jobin Yvon公司生產(chǎn)）測試原子發(fā)射光譜，利用JSM-6510LV型掃面電子顯微鏡（SEM）（日本進口）觀察和分析試樣磨痕的表面形貌與微觀組織，試樣表面微區(qū)成分的定性和半定量分析是在INCAx-actSN57014型EDS（英國牛津公司）能譜儀上完成，試樣的耐蝕性能檢測在PARSTAT2273型電化學(xué)工作站上完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相硬度XRD分析

采用所選浸蝕劑對低溫氣體滲碳后的試樣進行1~3 s的擦蝕，圖3為AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼為經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃低溫氣體滲碳工藝處理的試樣截面形貌照片。

圖3 不同滲碳溫度下AISI316 & AISI304奧氏體不銹鋼滲層的金相顯微組織

AISI316采用低溫氣體滲碳工藝處理，在經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃，滲碳48 h后的表面硬度分別達到700 HV25、800 HV25和1000 HV25，硬度以梯度的形式下降。經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃，依據(jù)相關(guān)標準[4-6]，滲碳48h后低溫氣體滲碳工藝處理的試樣有效硬化層深度依次分別為15 μm、30 μm、38 μm和40 μm，經(jīng)過32 h、72 h，滲碳溫度470 ℃后試樣有效硬化層深度分別為14 μm及45 μm。同樣，AISI304經(jīng)過450 ℃、470℃、480℃和500℃處理后表面硬度處于700~1100 HV25范圍，有效硬化層分別為18 μm、21 μm、23 μm和25 μm，經(jīng)過32 h、72 h及470℃后低溫氣體滲碳工藝處理的試樣有效硬化層深度分別為4 μm、52 μm。見圖4所示。

圖5為AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼不同滲碳溫度下滲層表面X射線衍射圖譜。試驗數(shù)據(jù)顯示：AISI316經(jīng)450℃和470℃處理后晶體結(jié)構(gòu)保持不變，未生成新相。與基體組織相的(111)和(222)晶面衍射峰相比，滲碳處理后AISI316的γc相的滲層衍射峰變寬，逐步有偏移至低角度的趨勢，過飽和的碳元素導(dǎo)致晶格畸變，使γ相的點陣常數(shù)增大明顯，形成膨脹型奧氏體結(jié)構(gòu)，即典型的γ相結(jié)構(gòu)，也成為S相[6-7]。試驗表明，在450℃和470℃下進行低溫氣體滲碳，可以獲得具有單一γ相且無碳化物析出的滲碳層結(jié)構(gòu)。480℃、500℃處理后的AISI316的衍射峰發(fā)生了變化，出現(xiàn)了含鉻、鐵的碳化物，使得AISI316的耐蝕性降低，詳見腐蝕性分析。同理，AISI304經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃處理后的X射線衍射圖譜和AISI316的變化趨勢一致，是基于同樣的原理。

(a1)(a2) (b1)(b2)

(a)(b)

當滲碳溫度達到480 ℃、500 ℃，X射線衍射譜中有碳化物組織出現(xiàn)，如Cr23C6，Cr7C3，F(xiàn)e3C等。這些含鉻碳化物的出現(xiàn)解釋了γ相已開始析出而導(dǎo)致分解的緣由，分解出的C原子和基體中的Cr原子結(jié)合生成Cr23C6和Cr7C3。含鉻碳化物的析出導(dǎo)致不銹鋼表面鉻原子（自由）的含量降低，以致沒有足夠的Cr原子（貧鉻區(qū)）來滿足鈍化需求[8-9]。在腐蝕環(huán)境中，缺乏足夠的Cr原子的區(qū)域（貧鉻區(qū)）易成為陽極，優(yōu)先被溶解，導(dǎo)致耐腐蝕性能下降甚至不耐腐蝕，表層組織顏色暗黑，與圖3中的金相組織相對應(yīng)。

2.2 耐磨分析

圖6是不同滲碳溫度下低溫氣體滲碳工藝處理AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼和未處理試樣的磨損率比較，得出低溫氣體滲碳處理前后的相關(guān)數(shù)據(jù)（見表3）。

圖6 不同溫度下AISI316和AISI304的磨損率比較

表3 五組試樣的磨損率數(shù)據(jù)

SEM照片顯示：經(jīng)處理過的AISI316的磨損率比未處理的偏低，且處理過的AISI316和AISI304的磨損率隨滲碳溫度的升高而降低，占比約為原來的1/3~1/2。這意味著在一定溫度范圍內(nèi)，隨著滲碳溫度的升高，AISI316和AISI304的磨損率逐漸降低，表明經(jīng)低溫滲碳工藝處理后不銹鋼的耐磨性增強[7]。

2.3 耐蝕性分析

圖7是在不同的滲碳溫度下低溫氣體滲碳處理的和未處理的AISI316和AISI304的Tafel極化曲線，有關(guān)試驗數(shù)據(jù)見表4。圖中，點蝕電位取Tafel曲線陽極極化區(qū)電流密度為10 μA/cm2處對應(yīng)的電位[10]。結(jié)果表明，AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼經(jīng)過480℃、500℃和920℃滲碳處理后，自腐蝕電位下降顯著，腐蝕電流增大為原來的10~100倍，且其Tafel曲線并未顯示有陽極鈍化區(qū)[11]。而經(jīng)過450℃、470℃處理的試樣，自腐蝕電位和腐蝕電流變化不明顯，維鈍電流略微有所降低，470℃處理的試樣其點蝕電位略有下降。

圖7不同處理的和未處理的AISI316和AISI304 Tafel極化曲線

表4 六組試樣的Tafel曲線數(shù)據(jù)

奧氏體不銹鋼的耐蝕性源自其合金元素中Cr/Ni配比滿足Tammann定律，當w(Cr)>13%時不銹鋼的耐蝕性能得到顯著提升[12-13]。如果有含鉻碳化物析出，則滲碳層中的鉻含量必然減少，這會導(dǎo)致試樣表層局部缺鉻（貧鉻區(qū)），降低AISI316和AISI304的耐蝕性能[14-15]。另外，由于析出的碳化物與奧氏體晶粒的電化學(xué)特性存在差異，容易形成電偶腐蝕環(huán)境，進一步削弱了滲碳層的耐蝕性能。這可以從電化學(xué)試驗中500℃時試樣耐蝕性下降的現(xiàn)象得到體現(xiàn)[13]。碳化物析出曲線表明，在同一滲碳時間下，滲碳溫度越高則越容易形成碳化物。由此可以推測：480℃、500℃時試樣中可能早已形成了碳化物，而碳化物的存在進一步削弱了不銹鋼的耐蝕性能。而經(jīng)過450℃、470℃處理的試樣，其耐蝕性能基本與未處理的試樣相當，故推斷在該溫度下無碳化物析出或碳化物出現(xiàn)很少，不造成耐蝕性能下降。

3 結(jié)論

1）在同一滲碳時間前提下，一定溫度范圍內(nèi)，AISI304和AISI316的耐磨性與其表面硬度成正相關(guān)性。兩種材料的表面硬度隨滲碳溫度升高而增大，耐磨性隨滲碳溫度升高而增強。

2）一定溫度范圍內(nèi)，不同滲碳溫度下，AISI304和AISI316的滲碳層厚度及表面硬度差異明顯。在480℃、500℃滲碳，AISI304和AISI316的滲層深度與表面硬度均得到有效改善，但耐蝕性能有所降低（一定程度上）；而在450℃、470℃滲碳，AISI304和AISI316的滲層深度與表面硬度均得到有效改善，耐蝕性能并未顯著降低。

3）在同等試驗條件下，AISI316材料可以獲得比AISI304綜合性能更優(yōu)良的滲碳層組織，具有較厚的滲碳層與較高的表面硬度。但AISI316滲碳層的耐磨性不及AISI304，而耐蝕性則較AISI304為優(yōu)。

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Corrosion and Wear Properties Analysis of Gas Carburizing for AISI304 & AISI316 Austenitic Stainless Steel

Peng Engao1, Zhou Yangning1, Li Peng2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Wisco-HG Laser Large Scale Equipment Co. Ltd., Wuhan 430223, China)

TG304

A

1003-4862（2017）04-0026-05

2016-10-27

彭恩高（1978-），男，工程師/博士。研究方向為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：863631723@qq.com.