焊接熱對316L不銹鋼表面低溫滲碳涂層性能的影響

摘 要：奧氏體不銹鋼低溫滲碳工藝技術的日趨成熟，其正被越來越多的應用到工業領域。首先揭示了生產試驗過程中焊接熱對316不銹鋼表面滲碳層的硬度影響，設計并開展了一系列重復性的驗證試驗，給出溫度對低溫滲碳層的硬度和耐腐蝕影響。結果顯示，高溫能顯著降低滲碳層的硬度和耐磨性。通過分析低溫滲碳層的結構特性及其形成機理，給出了316L奧氏體不銹鋼低溫滲碳涂層的合理應用溫度應低于350度。

關鍵詞：不銹鋼；低溫滲碳；硬度

1 介紹

不銹鋼表面強化技術是指運用物理、化學或物理化學等技術手段來改變“不銹鋼及其制作表面成分和組織結構”。其特點是保持不銹鋼基體材料的固有特征，又賦予表面所要求的各種強度、耐熱性，耐磨損和耐腐蝕性能等，從而適應各種技術和各種服役環境對不銹鋼的特殊要求。其最大的優勢在于能以極少的材料和能源消耗制備出基體材料難以甚至無法獲得的性能優異的表面薄層，從而獲得最大的經濟效益，因而不銹鋼表面強化是當今世界高技術前沿的關鍵技術，具有廣泛的應用前景。

然而，傳統的奧氏體不銹鋼滲碳通常是指在高至1010℃的溫度情況下進行的，這個溫度使得鉻碳化合物在滲碳體表面大量的迅速析出。也就是說，提高鋼的表面硬度（高至750HV）是以碳化物析出為代價的。碳化物的析出使得奧氏體中的鉻元素含量大大地降低了，而不銹鋼防銹屬性正是由鉻元素決定的。因此，高溫滲碳在提高不銹鋼表面強度的同時，也大大地降低了不銹鋼的防銹性，由此也喪失了奧氏體不銹鋼最大的優點。

如何解決不銹鋼的高耐磨性和耐腐蝕性一致的問題一直是生產中的難題。在研究利用氣態滲碳強化不銹鋼表面硬度領域，國外近年來已經取得了很大的成果，并已實現工業化[1，2]。不久前，一家名為Swagelok的公司已成功利用氣體滲碳法為奧氏體不銹鋼開發了一種低溫滲碳技術。通常，奧氏體不銹鋼低溫滲碳處理是指在低于550度的溫度下進行的滲碳熱處理。不銹鋼低溫滲碳作為一種新技術越來越受到重視，并且正在多個行業推廣和應用[3-7]。目前，全球有三項與奧氏體低溫滲碳相關的專利技術在使用，分別是日本Air Water公司 的NV Pionite，美國的Swagelok公司的低溫超飽和滲碳技術和歐洲Bodycote公司的Kolsterising。Pionite 技術采用的方法在低于500度下，用CO和氫氣的混合氣體作為介質對材料進行滲碳。Swagelok公司研究一種鹽浴和低溫超飽和技術在低于537度的溫度下進行滲碳。

以316L不銹鋼為代表的不銹鋼因其優良的耐腐蝕性廣泛用作石油、鋼鐵、汽車、造紙、化工等領域的關鍵零部件。但由于其表面硬度較低，極易磨損失效。隨著奧氏體不銹鋼表面低溫涂層工藝的成熟，其潛在可被用在多個工業應用領域。焊接作為一種有效的聯接工藝也被應用到與涂層相關的各種零部件的加工中。但是，隨之產生的問題需要引起重視。比如，焊接裂紋，表面硬化過后的零件受熱影響導致耐磨性降低等。本文針對焊接熱對316不銹鋼表面滲碳層的硬度及耐腐蝕性的影響進行研究，從實踐和理論進行說明，給出了這種涂層 的合理應用條件。

2 試驗方法

本次實驗我們是以316L不銹鋼作為研究對象，樣品的尺寸為8mm直徑30mm長的軸銷。表1列出了該材料的主要化學成分。試驗用的原始退火態316原材料的基體硬度為180～200HV.

表面低溫滲碳處理委托第三方公司按照指定的滲層深度（20～25um）和硬度（>400HV）的設計要求完成。在實施表面低溫滲碳工藝之前，需要進行嚴密的表面處理。在不銹鋼制件的成型過程中，表面都有可能粘上油污、存在毛刺、形成粗糙表面和氧化物，因而在表面處理前，首先必須把油污、毛刺、不平表面和氧化物除去，才能使后續加工獲得滿意的效果。預處理的步驟[8]主要包括，（1）表面研磨。（2）除油。目的是除凈表面油污。實驗中，采取化學法除油，先用清水擦洗，后應用10% NaOH溶液除油，后放入裝有丙酮的燒杯中（丙酮溶液為有機溶劑，可溶解油脂），用超聲波進行清洗。（3）酸洗。目的是除去表面的氧化皮。（4）弱腐蝕。目的是活化待處理表面，除去表面鈍化膜，露出基體組織。

焊接工藝采用傳統的TIG焊接，焊接結構和試驗裝置如圖1和2所示。試驗中用到了BF51800型高溫熱處理爐，以重現溫度對涂層的性能影響。試驗溫度從250度到550度，每間隔50度選擇一個溫度點，保溫5分鐘。

硬度計試驗選用FM-700型顯微維氏硬度計，根據ASTM E-384-06執行。耐腐蝕性試驗在DCTC600P鹽霧試驗箱中，依據ASTM B117標準執行144小時5%NaCl水溶液的鹽霧試驗。通過觀察試樣表面的紅銹來評估耐腐蝕性，試樣包括原始滲層狀態及熱處理后的滲層狀態。

3 試驗結果及分析

為了保證所有的低溫滲碳樣品符合設計要求，隨機抽取了14件樣品進行表面顯微硬度和滲層厚度測試。滲層的厚度在20～30微米之間。顯微維氏硬度是在距離涂層表面10微米處用50克的載荷進行測試獲得。原始數據如表2所示。根據Minitab數理軟件分析，結果表明該組樣品的硬度平均值在95%的置信水平下會落在438～480 HV0.05區間。

根據事先制訂的焊接工藝參數，對150件樣品進行試制。隨機抽取12件進行了焊接質量檢查，項目包括焊接深度，根部裂紋及外觀變色檢查。測試結果表明焊接深度能滿足最低1mm 的要求。根部有可接受的小于50微米的短裂紋。外觀無明顯退色。焊接剖面的結構示意圖如圖3所示。

在對焊接后樣品的工作部位進行硬度抽檢，12件樣品的測試結果如表4所示。根據Minitab數理軟件分析，結果表明該組樣品的硬度平均值在95%的置信水平下會落在356～396 HV0.05區間。與焊接之前相比，樣品低溫滲碳層表面的硬度有顯著下降。

為了驗證熱影響區的溫度對滲層質量的影響，模擬進行如下試驗，分別在250，300，350，400，450，500和550度，每個溫度點重復2件樣品，保溫5分鐘。在對熱處理后樣品的工作部位進行硬度抽檢，14件樣品的測試結果如表5所示。根據Minitab數理軟件工具，將經過400，450，500和550度短時熱處理過的樣品硬度值進行統計分析，發現樣本總體的平均值在95%的置信水平下會落在 390～407 HV0.05區間。與熱處理之前的相比438～480 HV0.05，樣品低溫滲碳層表面的硬度有顯著下降。但是，將經過250，300度短時熱處理過的樣品硬度值進行分析，發現樣本總體的平均值的95%置信水平下分別會落在425～479，438～500 HV0.05，與熱處理之前的硬度值沒有顯著差異。在350度下，樣品的硬度平均值95%置信水平下分別會落在395～433 HV0.05。據此推斷，在高于350度的熱影響下，熱對 奧氏體不銹鋼低溫滲碳層的影響是顯著的，能顯著降低滲碳層的硬度，從而降低該涂層的耐磨性。

將一件原始滲層狀態和一件熱處理態（400C+5min）樣品放入鹽霧試驗箱中進行測試，根據外觀結果觀察顯示，經過400C后的，樣品的工作表面依然能保持良好的耐腐蝕性。

通常，奧氏體不銹鋼低溫滲碳處理在低于550度的溫度下進行的滲碳熱處理。這是因為Cr的碳化物生成溫度為550度，而氮化物的生成溫度為450度[9，10]。從該低溫滲碳處理后滲層的微觀結構來說，低溫滲層是以間隙溶解的固溶體硬化技術為主，不同于傳統的高溫滲碳技術形成鉻的碳化物。碳化鉻的形成會犧牲不銹鋼的耐腐蝕性。顯然，只有通過控制滲層的使用溫度，才能防止降低耐腐蝕性的碳化鉻的形成。鉻及溶解于晶格中的碳同時存在意味著被處理的工件不能在接近敏感區的范圍內加熱。因此，為了保證滲層的工作區域不受焊接熱的影響，需要保證熱影響溫度不得超過350度。

4 結束語

通過對不銹鋼低溫滲碳涂層的理論和實驗研究結果表明，在高于350度的熱影響下，熱對奧氏體不銹鋼低溫滲碳層的硬度影響是顯著的，能顯著降低滲碳層的硬度，從而降低該涂層的耐磨性。同時，當使用溫度低于400度時，奧氏體不銹鋼低溫滲碳層的耐腐蝕性卻沒有明顯變化。因此，為了保證耐磨性和耐腐蝕性，316L奧氏體不銹鋼低溫滲碳涂層 的合理應用溫度應不高于350度。

參考文獻

[1]吳金金，張良界，潘鄰等；奧氏體不銹鋼低溫滲碳技術的研究現狀及應用前景，熱處理技術與裝備，2009，Vol30，No.4，p：23-26

[2]李艷秋，韓云杰.Kolsterising-不損失耐蝕性的奧氏體及雙相不銹鋼表面硬化處理.國外金屬熱處理 [J].2003，23（6）：28-30.

[3]Zhao Cheng， C.X Li， et al. Low temperature plasma nitrocarburizing of AISI 316 austentitic stainless steel. Surface Coating Technology [J].2005，191：195-200.

[4]Williams，et al. Low temperature case hardening processes [P]： US 6461448，2002：8.

[5]M. Tsujikawa，T D Yoshida， et al. Surface material design of 316 stainless steel by combination of low temperature carburizing and nitriding. Surface Coating Technology [J].2005，200：507-511.

[6]Y. Cao， F. Ernst， G.M. Michal. Colossal carbon supersaturation in austenitic stainless steels carburized at low temperature. Acta Materials [J].2003，51：4171-4181.

[7]Frank Ernst， Dingqiang Li， Harold Kahn， Gary M Michal， Arthur H Heuer，“The carbide M7C3 in low-temperature-carburized austenitic stainless steel” Acta Materialia Inc.， 2011 Vol.59，Issue： 6， Pages：2268-2276.

[8]曹經倩，劉炳根，周雅.焊接不銹鋼的電化學拋光[J].材料保護.2003，36（6）：25～26.

[9]Structural stability and hardness of carburized surfaces of 316 stainless steel after welding and after neutron irradiation； Journal of Nuclear Materials 356（2006）178-188.

[10]Characterization of a carburized surface layer on an austenitic stainless steel； Journal of Nuclear Materials 343（2005）123-133.

作者簡介：馮志峰（1975，9-），男，上海市寶山區，現職稱：高級工程師，學歷：同濟大學，工程碩士在讀，研究方向：建筑工程施工。