奥氏体不锈钢离子渗氮技术研究进展.pdf

Re述综RECHULI JISHU YU ZHUANGBEIAugust,20232023年8 月Vol.44,No.4热处理技术与装备第44卷第4期奥氏体不锈钢离子渗氮技术研究进展靳曾博，王沐凡,逮宇暄,卢金鹏，王宁宁,李杨（烟台大学核装备与核工程学院，山东烟台264005)摘要：奥氏体不锈钢具有良好的组织稳定性、较好的耐腐蚀性，但是在海洋、强辐射条件下仍表现出强度不够,容易被腐蚀的现象，而且抗磨性较差，硬度相对较低，制约其应用与发展。为了改善奥氏体不锈钢表面综合性能，研究者们采用不同离子渗氮技术对其进行表面处理，可以形成厚度为几到几十微米的膨胀奥氏体相层（S相），提高了基体的硬度和耐蚀性能。综述了新型离子渗氮技术包括活性屏离子渗氮、空心阴极辅助离子渗氮、激光辅助离子渗氮、氮离子注入渗氮、低压电弧辅助渗氮和电子束辅助渗氮技术等最新进展。关键词：奥氏体不锈钢；离子渗氮；空心阴极；离子注入中图分类号：TG174.444，T G 156.8文献标识码：A文章编号：16 7 3-49 7 1(2 0 2 3)0 4-0 0 6 6-0 8search Progress of Plasam Nitriding Technology for Austenite Stainless SteeJIN Zeng-bo,WANG Mu-fan,LU Yu-xuan,LU Jin-peng,WANG Ning-ning,LI Yang(School of Nuclear Equipment and Nuclear Engineering,Yantai University,Yantai Shandong 264005,China)Abstract:Austenitic stainless steel has good tissue stability and good corrosion resistance,but it stillexhibits insufficient strength and is prone to corrosion under ocean and strong radiation conditions.Addi-tionally,its poor wear resistance and relatively low hardness limit its application and development.In orderto improve the comprehensive surface properties of austenitic stainless steel,researchers used different ionnitriding techniques to facilitate surface treatment,which can form an expanded austenite phase layer(S phase)with a thickness of several to tens of micrometers,improving the hardness and corrosion resist-ance of the matrix.The latest developments in new ion nitriding technologies are reviewed,including ac-tive screen ion nitriding,hollow cathode assisted ion nitriding,laser assisted ion nitriding,nitrogen ion im-plantation nitriding,low voltage arc assisted nitriding and electron beam assisted nitriding.Key words:austenitic stainless steel;plasam nitriding;Hollow cathode;ion implantation奥氏体型不锈钢的化学成分是以Cr、Ni 为基础添加Mo、W 等元素，常温下具有稳定的奥氏体组织、高塑性及韧性、良好的耐腐蚀性，被广泛应用在核电、航空航天等领域 1-2 。但在海洋、强辐射条件下仍表现出强度不够，容易被腐蚀的现象，而且抗磨性较差，硬度相对较低，制约其应用与发展3-6通过渗氮可以改良奥氏体不锈钢的综合性能，但是传统的气体渗氮由于渗氮温度高，容易出现Cr的析出相，使基体在一定范围内出现“贫Cr”现象，反而使渗氮样品的耐蚀性下降。如何在不降低耐腐蚀性的前提下，提高表面性能成为解决问题的关键。近年来,研究者发现利用等离子渗氮技术在较低温收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 7作者简介：靳曾博（2 0 0 3一），男，本科，主要从事等离子体渗氮研究。通信作者：李杨（19 8 3一），男，教授，主要从事等离子体化学热处理、表面涂层/薄膜制备、材料基因工程等研究。联系电话：150 6 38 50 9 8 2;E-mail:基金项目：国家自然科学基金面上项目（52 17 519 2）；山东省大学生创新训练项目（S202211066017）。.67.第4期靳曾博等：奥氏体不锈钢离子渗氮技术研究进展度下处理奥氏体不锈钢，表面可以获得一种膨胀奥氏体相(S相）。图1中可看到S相，XRD图谱中也显示了S相的存在。M.P.Fewell等 7 通过晶体学方向解释了奥氏体不锈钢在相对较低的氮化过程中形成的富氮相的机理，阐述了S相的形成。K.Koster等 8 研究了S相与耐蚀性的关系，发现奥氏体不锈钢表面形成S相会显著提高基体的耐蚀性。此外文献 9-11 也同样通过离子渗氮技术发现了S相的存在，其研究表明奥氏体不锈钢表面硬度和耐蚀性均有不同程度的提高。Untreated(200)(111)(111)(111)(111(11)Pulsed plasmanitridedS(111)(000)(200)(111)(111)S(111)500nm图1渗氮后的XRD、电子衍射图谱及金相组织 7,9 Fig.1The microstructure and electron dfraction pttem ater nitridingl7.离子渗氮处理是在低真空的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，使之产生辉光放电进行渗氮处理的化学热处理工艺。虽然离子渗氮可以提高不锈钢的表面硬度和耐蚀性，但是在常规离子氮化处理中，受辉光放电特性和电场效应的影响，在渗氮处理过程中存在一些难以解决的问题。工件作为放电系统的阴极，较高的电压引起表面打弧从而造成损伤，几何形状的变化导致表面电场强度的差异，导致改性层组织与性能不均匀 12-14为克服传统离子渗氮的不足，出现了许多新颖的离子渗氮技术 15-18 。这些渗氮技术能使传统渗氮技术中的表面打弧、边缘效应等问题迎刃而解，从而成为当前研究离子渗氮技术的主流。本文对活性屏离子渗氮、空心阴极辅助离子渗氮、激光辅助离子渗氮、氮离子注入渗氮、低压电弧辅助渗氮和电子束辅助渗氮技术进行综述。这些渗氮方法及工艺参数均对奥氏体不锈钢的表面硬度、渗层深度、相结构产生影响，具体见表1。表1不同离子渗技术对比Table1Comparison of different plasma nitriding techniques基体工艺时间/h温度/气体相结构厚度/m表面硬度特征文献1190 HVo.05显著提高AISI300系列奥氏体AISI304LDCPN12380N2:H2=1:3S相、-Fe4N17.5不锈钢表面硬度、抗磨损能力，降低摩擦系数和比磨损率，对151200 HV0.05延长不锈钢的服役寿命有积AISI321DCPN12380N2:H2=1:3S相14极的作用。磨损量和努氏表面硬度随着等超奥氏体不锈离子渗氮温度的升高而增加，DCPN5400H2:N2=8:2S相873 73 HK17钢(SASS)高温下由于层脆性的增加获得更高的磨损率。S相s-Fe2-3N氮原子物质向样品表面的扩散ALSI316LASPN24、9 450,50 0、550 H 2:N2=8:25018252015HV导致相基质转变为膨胀的奥19和%o-Fe4N氏体相，显著提高了显微硬度。NH31400HVo.1强化相会大幅度提高样品表面ALSI316LASPN6400S相5021硬度、耐磨和耐蚀性。904LHCPSN15530NH3S相8188401100HV在高温530 下，可制备无CrN30析出的单一S相氮化层。在奥氏体不锈钢表面获得了均ALSI304LHCPSN4450NH3S相20700 1400 HVo.05匀致密的S相改性层，提高材32料耐蚀性，并降低了摩擦因数。膨胀奥氏体相是主要相，在较高1300 HV0.05温度下，一些氮化铁和CrN相析ALSI321PAN1580N2S相44出；氮化层的厚度随着氮化温度的升高而增加。离子氮化试样相比，电子束处理ALSI304EBEP40540NH,800850HV层的耐磨性提高了两倍，表面45硬度也得到提升。68:热处理技术与装备第44卷1活性屏离子渗氮直流等离子体氮化涉及到加热氮化，其中表面在真空中被N2、H 2 辉光放电产生的N和H*轰击，DCPN加工的零件暴露在阴极高电势下，就会因电弧和边缘效应造成损坏 2 0-2 。卢森堡工程师Georges发明了活性屏离子渗氮技术（ASPN），其结构如图2所示,将高电势从材料转移到活性屏上，从而减少了损伤 2 3-2 4。目前ASPN的机理仍然在进一步研究，有人提出ASPN的一个多阶段工艺模型，包括溅射、物理吸附、解吸、扩散和沉积。其中Kolbel提出了“溅射和再吸附”模型适用于DSPN，但是在ASPN中由于氮化开始时筛网笼本身就会被氮化，而靶和溅射材料仅为氮化铁，所以Kolbel模型也适用于ASPN。A.Saeed等 2 6 将使用的筛网笼覆盖一层厚的氮化铁，OES分析显示，光谱中铁的峰值不同，铁的溅射主要来自于丝网笼上的孔。筛笼上表面不同孔的直径变宽,这清楚地表明溅射作用。基于Kolbel 模型提出ASPN新的“溅射和再扩散”模型。Ichimura等 2 7 基于XRD、ST EM-EEL S的结果描绘了扩渗机理图见图3，解释了ASPN氮化的过程，氮化后大部(a)(b)gas inMctal Screen(Cathode)十(epoue)Workpicce(opoue)Workpicce(cathode)(floating)D.C PowerD.C PowerSupplySupplyworkingtable(cathode)working table(loating)gas outgas ingas out(a)DCPN;(b)ASPN图2 活性屏等离子体的设置示意图 2 5Fig.2 Schematic diagam of the setup of the active screen plasma25Stepl*Charged.particlesStep2ChargedparticlesStep3oCharged.particles(Positive)(Positive)(Positive)+Sputtering particlesSputtcring particlesCoulomb forceNradicalImpact!SputteringNegalivetBondSpecimenSpecimenSpecimenCycleStep6eCharged particlesStep5oCharged particlesStep4oCharged particles(Positive)(Positive)(Positive)Sputtcring particles.Sputtcring particlesSpu