奥氏体不锈钢低温气体渗碳层组织性能及催渗技术研究

摘要

具有良好耐腐蚀、耐热和焊接等性能的奥氏体不锈钢广泛应用于石油化工、能源电力、交通运输、航空航海以及日常生活等领域。然而，硬度低、耐磨性差等特点严重制约了它的一些特殊环境中的使用。所以，对其进行表面硬化处理是扩大其应用范围的最主要途径。化学热处理方法是提高奥氏体不锈钢表面强度的有效方法。然而，常规条件下的渗氮、渗碳或碳氮共渗处理虽可提高其表面强度，但由于较高温度处理所产生的高温合金化组织，导致奥氏体不锈钢的腐蚀性能大幅度降低，因此，必须开发新的表面耐蚀强化方式，满足生产和生活需求。
　　本课题以国民经济重点领域中对耐磨、耐蚀材料的需求为背景，以探索奥氏体不锈钢表面耐蚀强化处理过程中存在的技术基础问题为目的，开发奥氏体不锈钢低温气体渗碳技术，在保持奥氏体不锈钢原有的耐腐蚀性能的基础上，提高表面硬度，改善耐磨性。本论文利用自主研制的低温气体渗碳炉，开发了奥氏体不锈钢低温气体渗碳成套技术，并分析了渗碳层的微观组织与结构，研究了低温气体渗碳处理对奥氏体不锈钢表面耐蚀性能和摩擦学性能的影响，探讨了耐蚀强化机制。为提高奥氏体不锈钢低温气体渗碳处理效率，开发了在此工艺条件下的稀土催渗技术，取得了满意的结果，为奥氏体不锈钢低温气体耐蚀强化技术的工业化应用打下了良好的基础。
　　（1）研究低温条件下的奥氏体不锈钢气体渗碳技术，开发不锈钢表面钝化膜去除工艺，掌握渗碳气体成分、渗碳温度、渗碳保温时间等工艺参数之间的关系，获得理想的表面耐蚀强化层。结果表明：在渗碳温度450℃~500℃和渗碳保温时间32 h~72 h工艺条件下，总渗碳层深度深度最厚至78μm，其表面最高硬度可达1250 HV，是奥氏体不锈钢基体硬度的3倍以上，强化效果非常明显。在不损害奥氏体不锈钢腐蚀性能的前提下，低温气体渗碳表面强化技术较优工艺为渗碳温度470℃，渗碳保温时间48 h。渗碳前要经过两次预处理，温度和时间分别为250℃和2h。
　　（2）研究了低温条件下扩散进入奥氏体不锈钢基体中的碳原子分布规律以及对原奥氏体不锈钢的晶体结构、碳化物析出的影响，探索它的强化机理。XRD分析显示，由于碳原子的渗入，奥氏体不锈钢的晶格常数发生了不同程度的变化；EDS能谱和ICP分析显示，低温气体渗碳层中碳含量由表层到基体逐渐减少，其最高含量达到5%左右，高于奥氏体不锈钢基体中碳平衡浓度，呈现出过饱和特性，形成S相；低温气体渗碳层的硬度梯度变化与其总渗碳层的组织和碳浓度变化有一定的关系，在碳化物析出之前，强化方式为固溶强化，碳化物析出之后强化方式转变为固溶强化和弥散强化的共同作用。
　　（3）研究奥氏体不锈钢低温气体渗碳层腐蚀性能和摩擦学性能。研究发现，通过适当的奥氏体不锈钢低温气体渗碳工艺处理，可以实现完全的奥氏体不锈钢固溶强化，防止不锈钢中腐蚀性能基本元素铬的损失，保持了奥氏体不锈钢的腐蚀性能；碳化物形成之前，强化方式为固溶强化，大幅度提高了奥氏体不锈钢的表面强度和摩擦学性能，实现了耐蚀强化的效果。在此基础上，绘制了奥氏体不锈钢低温气体渗碳工艺参数与渗碳层腐蚀性能的关系图，对实际生产中合理选择奥氏体不锈钢耐蚀强化处理工艺具有重要的指导意义。
　　（4）从奥氏体不锈钢低温气体渗碳技术工业发展出发，开发了奥氏体不锈钢低温气体渗碳条件下的稀土催渗技术，有效地提高了低温渗碳速度。同时研究奥氏体不锈钢在低温气体渗碳条件下的稀土催渗机理及其对强化机制的影响。结果表明：适当的稀土催渗处理对提高低温气体渗碳渗速具有明显的作用，在推荐的稀土催渗工艺条件下，渗碳层的深度和表面硬度分别提高了23.4%和16.3%，该技术的开发为奥氏体不锈钢低温气体耐蚀强化技术的工业化应用打下了良好的基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 奥氏体不锈钢概述

1.3 奥氏体不锈钢低温渗碳机制及国内外低温渗碳研究现状

1.4 稀土催渗技术及其国内外研究现状

1.5 课题的研究内容和技术路线

第二章 试验材料、实验和检测方法

2.2 试验和检测设备

2.3 试样检测方法

第三章 奥氏体不锈钢低温气体渗碳技术研究

3.1 低温气体渗碳工艺研究

3.2 低温气体渗碳处理效果与渗碳层金相分析

3.3 低温气体渗碳层表面硬度及截面硬度变化规律分析

3.4 本章小结

第四章 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层微观组织、结构域成分分布

4.1 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层显微组织

4.2 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层结构研究

4.3 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层成分分布

4.4 强化机理分析

4.5 本章小结

第五章 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层腐蚀性能和摩擦学性能研究

5.1 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层的腐蚀性能

5.2 奥氏体不锈钢低温气体渗碳层的摩擦学性能

5.3 奥氏体不锈钢低温气体渗碳工艺参数与腐蚀性能的关系

5.4 本章小结

第六章 奥氏体不锈钢稀土催渗低温气体渗碳技术及其渗碳层组织与性能研究

6.1 稀土催渗剂的配制和渗剂供给装置

6.2 奥氏体不锈钢稀土催渗低温气体渗碳工艺研究

6.3 奥氏体不锈钢稀土催渗低温气体渗碳层显微组织与结构研究

6.5 低温气体渗碳过程中稀土催渗机理探讨

6.6 本章小结

第七章 结论

7.1 论文的主要成果和结论

7.2 论文的主要创新点

7.3 今后工作的展望

参考文献

致谢

附录：博士研究生阶段的学术活动和发表论文情况