316奥氏体不锈钢QPQ复合盐浴表面强化研究_仲照旭.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期316 奥氏体不锈钢 QPQ 复合盐浴表面强化研究仲照旭王斯妮公秀凤陈晨(吉林安德电化科技有限公司沈阳分公司辽宁沈阳 110000)摘要为了提高 316 奥氏体不锈钢的硬度和耐蚀性，采用 QPQ 盐浴复合表面强化工艺提高材料性能，使用金相显微镜、显微硬度仪及电化学工作站对试样性能研究，结果表明:550 2.5h 工艺处理试样表面形成化合物层(CrN 和 Fe2 3N)，此层硬度最高，硬度能够达到 1000HK0.01;通过极化曲线对比，具有较好的耐点蚀性能。关键词奥氏体不锈钢复合盐浴硬度极化曲线中图法分类号TG156TG178文献标识码BDoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.013Study on Surface Strengthening of 316 Austenitic Stainless Steelby QPQ Complex Salt Bath Heat TreatmentZhong ZhaoxuWang SiniGong XiufengChen Chen(Shenyang Branch of Jilin Ande Chemical Technology Co，Ltd，Shenyang 110000)ABSTRACTIn order to improve the hardness and corrosion resistance of 316 austenitic stainless steel，QPQ salt bath composite surface strengthening process was used to improve the material properties and themetallographic microscope，micro hardness tester and electrochemical workstation were used to study the propertiesof the samples The properties of the samples were investigated by metallographic microscope，microhardness testerand electrochemical workstation The results showed that:at 550 2.5h，compound layers(CrN and-Fe2 3N)were formed on the surface of the sample，and the hardness of this layer was the highest，reaching1000HK0.01 Compared with the polarization curve，it has better pitting corrosion resistanceKEYWORDSAustenitic stainless steelCompound salt bathHardnessPolarization1前言奥氏体不锈钢广泛用作耐腐蚀材料1，但是由于表面硬度低、耐磨抗力和疲劳抗力差，在高磨损抗力行业的应用受到限制2。QPQ 复合盐浴处理是一种金属盐浴表面强化改性技术3，4。金属在两种不同性质的低温盐浴中作复合处理，以使多种元素同时渗入金属表面，形成由几种化合物组成的复合渗层，以使金属表面得到强化改性。本文采用复合盐浴处理技术对 316 奥氏体不锈钢进行表面改性处理，研究 316 奥氏体不锈钢经过复合盐浴处理后性能改善5。2试验材料与方法试验采用 316 奥氏体不锈钢，其主要化学成分(质量分数，%)如表 1 所示，试验采用的处理工艺如表 2 所示。表 1316 不锈钢的化学成分(质量分数，%)CCrNiSiSPMoMn0.0617.611.260.480.018 0.0112.081.6616作者简介:仲照旭，男，1987 年生，工程师，硕士，邮箱:zhongzhaoxu163 com表 2QPQ 工艺材料编号氮化温度氮化时间h氰酸根浓度%氧化温度氧化时间h冷却方式10.521.0316Ti35501.5323700.5水冷42.052.53试验结果和分析31显微组织盐浴中氰酸根分解出活性的 N 原子和活性的 C 原子，活性的 C、N 原子积聚在工件表面，并吸附在工件表面，工件表面的 C 浓度和 N 浓度则会逐渐升高，与工件内部形成一定浓度差，正是在这种浓度差的条件下，形成了活性 C、N 原子向金属内部扩散。从图 1(a)中可以看出氮化层刚刚形成，没有形成连续渗氮层，只能在工件表面形成部分固溶体，由于 N 含量不足以形成 CrN、Fe3N或 Fe2 3N，所以没有形成化合物层6。图 1(e)观察到的化合物层为白色组织，所以又称为白亮层，白亮层的主要物相为 CrN 和-Fe2 3N，具有比较高的硬度，化合物层是整个渗氮层中最重要的部分，对渗层的耐磨性和抗蚀性都起主导作用。扩散层是白亮层与基体之间的过渡区域，其成分主要为含氮扩散奥氏体。从图中还可以看出，随着处理时间的延长，氮化层厚度略有增加，但增加幅度并不明显。图 1316 不锈钢在 550不同 QPQ 处理时间样品横截面显微组织32截面硬度分析316 不锈钢经不同氮化时间 QPQ 处理后截面硬度曲线如图 2 所示。从图中可以看出，经 QPQ 处理后的试样硬度明显 增 高。试 样 最 外 层 硬 度 最 高 可 以 达 到1000HK0.01，经 QPQ 处理后的试样的截面硬度随着距表面距离的增加而降低，表现出明显的扩散特征。从总体上看，QPQ 处理试样的表面硬度随着氮化时间的延长变大，说明 2.5h 以内处理的试样化合物层疏松比较薄，氮化物颗粒小，未对试样表面硬度造成影响。图 2316 不锈钢在 550不同 QPQ处理时间的截面硬度曲线262022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备33表面耐蚀性分析图3 是550不同氮化时间的极化曲线，1#为对比试样，未做任何处理，极化曲线分析结果如表3 所示。从极化曲线整体形状来看，在开路电位下，三种试样将发生活性溶解，未处理试样的腐蚀速度最小，经过 QPQ 复合盐浴处理的试样的腐蚀速度差别不大;从表 3 可知，当电位极化到一定程度后，三种试样表面在 3.5%NaCl 溶液中都能够形成钝化膜，具有一定的钝化能力，从维钝电流密度看，未处理试样的维钝电流密度最小，钝化膜最稳定，经 550 2.5h 处理试样钝化膜稳定性最差;取电流密度为 100A/cm2时的电位为点蚀击破电位，可以看出，三种试样都有发生点蚀的倾向，其中 550 2.5h 处理的试样点蚀击破电位最高，钝性区间最长，未处理试样击破电位最低，钝性区间最短。综合考虑，认为在本实验体系下，550 2.5h 处理试样具有较好的耐点蚀性能。图 3316 不锈钢不同条件的极化曲线表 3极化曲线分析结果1#未处理2 1#5501.0h2 2#5501.0h3#5502.5h自腐蚀电位Ecorr(V)0.2630.3300.3080.238自腐蚀电流密度(A/cm2)0.242.23.11.8阳 极 电 位 在 0.1V、SCE 时的维钝电流密度(A/cm2)0.8418.820.94.2击破点位 Eb(V)0.1350.2750.2560.36534分析与讨论从扩散的一般定律可知，在渗氮的前期，随着氮化时间的延长，金属表面化合物层的厚度逐渐增加。当渗氮时间超过一定值时，由于试样表面与内部的浓度梯度减小，造成活性原子的渗入缓慢，此时，化合物层厚度增加不明显。此外，由于渗氮温度达到 550时，金属表面析出的 Cr 与 N形成了铬氮化物，弥散分布的铬氮化物也可以有效提高金属表面的硬度。但是 Cr 析出后造成金属表面的 Cr 浓度下降，从而在金属表面形成一层贫 Cr 区，使不锈钢丧失了原先良好的耐腐蚀性能。经过氧化处理的不锈钢表面形成的 Fe3O4氧化膜，提高了不锈钢耐蚀性能，同时 Fe3O4具有反尖晶石结构，有效降低金属表面的摩擦系数，金属表面耐磨性得到提高。4结论316 奥氏体不锈钢经 QPQ 复合盐浴处理后得到结论:(1)不同渗氮时间的复合盐浴处理渗层显微组织不同，随着渗氮时间的增加，试样表面形成化合物层(CrN 和-Fe2 3N)，硬度最高;(2)截面硬度由渗氮时间增加而增加，渗层深度也随之增加，有化合物层的试样，硬度能够达到 1000HK0.01，图像中没有出现“低头”现象，说明在实验的渗氮时间内化合物层疏松较薄;(3)通过电化学工作站测极化曲线，得到550 2.5h 工艺处理试样具有较好的的耐点蚀性能。参考文献 1 韩瑞鹏 奥氏体不锈钢低温 QPQ 处理工艺优化与应用基础研究 D 四川:西华大学，2018 2 张哲鹏，胡鹏程，陈树，等 QPQ 处理对 316L 钢的微观结构及磨蚀性能影响J 中国腐蚀与防护学报，2020，40(05):479 484 3 王钦娟，林少阳，陈忠士，等 QPQ 技术中渗氮时间对合金铸铁组织及摩擦性能的影响J 金属热处理，2021，46(10):226 231 4 Zhao C，Li C X，Dong H，et al Low temperature plasmanitrocarburising of AISI 316 austenitic stainless steel J Surface Coatings Technology，2005，191(2 3):195200 5 张鸣伦，王丹，王兴发，等 海水环境中 Cl浓度对316L 不锈钢腐蚀行为的影响 J 材料保护，2019，52(1):34 39 6 向红亮，吴高翔，刘东 QPQ 氮化时间对 316L 不锈钢组织和性能的影响J 特种铸造及有色合金，2017，37(6):585 589(收稿日期:2022 03 18)36仲照旭等:316 奥氏体不锈钢 QPQ 复合盐浴表面强化研究2022 年 12 月第 6 期