奧氏體不銹鋼低溫耐蝕強化成套設備的研究

彭恩高，李 朋，周陽寧

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奧氏體不銹鋼低溫耐蝕強化成套設備的研究

彭恩高1，李 朋2，周陽寧1

（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）

本文研發了一種奧氏體不銹鋼低溫耐蝕強化設備。該設備成本低、操作簡便、控制精度高，保溫性能好。使用該設備進行低溫氣體滲碳，研究結果表明：滲碳速度快，滲層均勻，滲碳質量穩定，碳勢氣氛均勻，生產效率高。同時該設備性能穩定，產品質量達到國外同行水平。

奧氏體不銹鋼 氣體滲碳 低溫耐蝕 碳勢

0 引言

奧氏體不銹鋼在常溫下具有奧氏體組織，面心立方晶體結構，低溫性能優良，常用于低溫容器的工業制造。奧氏體不銹鋼在常溫和低溫下都具有優良的塑性、韌性和良好的耐腐蝕性能。為了推進奧氏體不銹鋼低溫容器的設計制造工藝，國外首先提出了強化奧氏體不銹鋼低溫容器的方法[1]。奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳工藝廣泛應用在食品、醫療器械、化工、汽車等行業。然而，目前只有少數幾家歐美企業完全掌握了具有實用價值的奧氏體不銹鋼低溫耐蝕強化技術，國內暫時還沒有相關技術突破的報道，在工業應用方面尚屬空白[2]。因此，突破瓶頸，打破技術壟斷，開展奧氏體不銹鋼低溫滲碳技術研究，具有重要的理論意義和工程實用價值[3]。本文提出一種具有自主知識產權的奧氏體不銹鋼關鍵件低溫耐蝕強化技術及其成套裝備，為相關產業部門提供技術支撐和產品服務，打破發達國家的技術壁壘和市場壟斷，將大大降低企業的運行成本，提高國際市場競爭力，促進與此相關的奧氏體不銹鋼行業快速發展。

1 奧氏體不銹鋼耐蝕強化成套設備結構組成

鑒于高溫井式氣體滲碳爐往往會發生爐罐因熱膨脹密封面脫離砂封槽的情況，針對這一情況，采用無底馬弗的結構形式來消除熱脹冷縮對爐口的影響，將密封筒與爐子固結在一起，端部少許浸入油密封（水冷），增強密封筒密封作用，保持良好的熱處理氣氛。但是奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳過程中，前處理氣氛為強腐蝕性氣體，采用無底馬弗的結構形式會造成密封筒與爐子內襯及加熱元件的腐蝕，因此爐罐采用直筒有底結構，選用優質奧氏體不銹鋼材料，保證爐內氣氛不泄漏，爐罐經久耐用。爐罐密封選用法蘭式水冷結構，進氣管、排氣管均勻分布在爐罐法蘭盤下方水冷結構處，簡化了爐罐結構，縮短了爐罐大修時間，方便對爐罐的維護，節約成本。設備原理圖見圖1所示。

圖2所示為自主研發的奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳專用設備。該設備包含兩個控制系統：氣路控制系統和電路控制系統。

圖1奧氏體不銹鋼低溫耐蝕強化設備原理圖

氣路控制系統用于控制滲碳氣氛，電路控制系統用于控制滲碳過程的加熱溫度及恒溫保溫時間。實物圖見圖5(a)、(b)、(c)。其中，試驗中使用的鎧裝熱電偶，尺寸規格為Ф8×600 mm。

1.1導風裝置

鑒于爐內加熱體不能隨時保持均勻發熱狀態，而滲碳氣氛的流動隨之存在非一致性，這可能導致爐溫均勻性下降，碳勢均勻度降低，難以保障滲碳質量，因此必須設置導風裝置來提高爐溫的均勻性。開啟離心式風機，在擋風板的下方，引導滲碳氣氛均勻地流向爐罐的兩側，流經導流桶向下方，經過導流筒底部進入滲碳區域。導流桶內壁與試件外圓柱面之間的圓環形間隙構成氣流通道，相對爐膛中軸線而言滲碳氣流對稱分布，因而在360°的圓周上氣流分布均勻，保證試件滲碳的均勻性。

1.2 循環風扇

試件滲碳質量的好壞，直接與兩個重要指標有關。一個是溫度均勻性，另一個是滲碳氣氛的均勻性。下一步重點研究滲碳爐內滲碳氣氛的分布情況。滲碳爐有效直徑350 mm，僅需要一臺單機式水冷密封循環風機。電纜和水管采用快捷模式，能迅速地連接和拆解，風葉采用鑄造工藝生產，風機不易變形，長期使用，不會破壞風機動平衡。結構原理圖見圖3所示。

1.3 發熱體和安全系統

發熱體有兩種型號：螺旋狀電阻絲，以及波紋狀電阻帶。本研究項目的爐罐直徑和深度均不超過1000 mm，不需要對發熱體進行分區布置和控制。因此發熱體采用鎳鉻合金材料制成的螺旋狀電阻絲，電阻絲以層級上升方式放置在絲磚上，并用耐熱陶瓷螺釘隔離、固定。

爐蓋上設有保壓、卸壓裝置，廢氣排放裝置安裝在爐罐密封法蘭下面。一般情況下，在奧氏體不銹鋼滲碳處理完畢，開爐前，操作人員要啟動配備的安全系統，采用氮氣置換方式，首先排除爐內可燃性氣體和腐蝕性氣體。如果操作人員誤操作，在沒有進行氣體置換的情況下打開爐門，應該能自動報警。

2 奧氏體不銹鋼耐蝕強化成套設備控制系統

2.1溫度控制

嚴格控制溫度測量，因為溫度影響奧氏體不銹鋼的滲碳質量，通常采用熱電偶測溫方式來實現爐內外溫度的測量。溫度控制系統主要由溫度測量&調節控制系統、熱電偶、記錄儀、可控硅等組成。爐體加熱區由帶調功器的可控硅進行PID控制。為了更為精確獲得奧氏體不銹鋼關鍵件低溫氣體滲碳工藝溫度，選擇了更為合理的溫度控制方式，即爐內主控與爐外輔控方式來控制奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳質量。爐內主控，即應用合理的數學模型，通過自動調節加熱區功率，調整爐內熱電偶測量溫度與目標溫度之間的差值，達到熱平衡，從而控制爐膛溫度。爐內主控具有精確地控制爐膛溫度、減小爐溫偏差、顯著提高爐溫可靠性的優點。以往認為當達到熱平衡后，爐膛內外溫差固定不變[4]。根據此觀點，采用爐外控溫方式。當爐膛外溫度固定不變時，爐膛內溫度也應該不變。實踐證明，爐膛內外溫差是隨著保溫時間的延長而不斷變化著的，以此推知，保溫時間延長，爐膛內外溫差不斷變化，爐內溫度偏差可能偏離工藝要求范圍，控制爐外溫度難以奏效。因此，滲碳時可能導致爐溫過高，奧氏體晶粒長大、碳化物析出等現象，從而影響試件的耐蝕性能。爐內控溫，即直接控制爐內熱電偶測量溫度與加熱區熱電偶測量溫度差值，能有效控制爐內溫度偏差，不受保溫時間延長影響。爐外控溫，通常需要在校溫時判斷，或者根據升溫速度大小來控制。這不僅需要從大量的實踐經驗來判斷，而且要具備豐富的專業知識，甚至有時可能難以及時發現問題。氣路示意圖見圖4所示，電路示意圖見圖5所示[5]。

2.2碳勢控制方式

奧氏體不銹鋼關鍵件滲碳的滲碳層深度大多在34～45μm，滲碳時間超過40 h，設備運行時，必須確保爐內滲碳氣氛均勻，碳勢平均，防止局部出現偏差過大碳勢，這就要求準確測量滲碳氣氛，控制精確。國內井式氣氛滲碳爐一般依靠控制電磁閥的通斷調節氣體輸送來實現對滲碳碳勢的調節，要經歷一個過程才能形成碳勢，這個過程可能造成延時調節碳勢，在一定時間內極易造成碳勢波動，影響滲碳質量。而奧氏體不銹鋼對滲碳碳勢非常敏感，局部碳勢過高的地方會沉積過多的炭黑，造成漏點現象，影響奧氏體不銹鋼關鍵件使用性能。而連續控制碳勢具有一定優勢，通過比例閥的連續調節，可以按不同比例連續通入滲碳氣氛。這種控制方式可以解決通斷控制碳勢時所造成的碳勢波動問題，從而在微小范圍控制爐內碳勢偏差，實現奧氏體不銹鋼關鍵件的滲碳質量的穩定性，提高產品的合格率，圖6為碳勢控制原理圖。

3 低溫滲碳工藝簡介

通過調節爐氣成分、爐氣比例、滲碳溫度（）、滲碳時間（）等工藝參數，獲得均勻、致密的低溫氣體滲碳層，通過檢測低溫氣體滲碳層的金相組織與硬度分布，評價低溫氣體滲碳工藝優劣，進而優化工藝參數。通過XRD、TEM、SEM、EDS、ICP等檢測設備對低溫氣體滲碳層進行組織、成分、晶體結構等的檢測，表征其微觀特性。通過電化學工作站方法研究低溫氣體滲碳處理后奧氏體不銹鋼的耐蝕性機制[6]。

圖6 碳勢控制原理圖

奧氏體不銹鋼試樣，尺寸20 mm×20 mm×3 mm，用砂紙打磨材料表面。試樣化學組成見表1。試樣入爐處理前，依次經過堿清洗去油、清水漂洗、無水乙醇漂洗、吹干處理等。

用專用的低溫氣體滲碳爐對奧氏體不銹鋼進行低溫氣體滲碳。試驗條件：工作真空度為1.33×105 Pa，滲碳時氮碳氫混合氣工作氣源N2:CO:H2=50%:(10-40%):10%，溫度450～500 ℃， 48 h。滲碳前預處理，溫度150～400°C，混合氣體N2和Rx（去除表面氧化膜），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。工藝參數見表1，工藝示意圖見圖7。

4 結論

1）奧氏體不銹鋼對氧氣非常敏感，少量的氧氣殘留于爐內會造成破壞性后果，導致整個滲碳過程無法進行，采用井式真空爐有效的解決了這一難題，并能保證溫度場及滲碳氣體的均勻性。2）爐內主控、爐外輔控的聯控方式，精確控制滲碳溫度，減少誤差。3）連續調節比例閥，可以按不同比例持續通入滲碳氣氛。這種控制方式可以解決通斷控制碳勢時所造成的碳勢波動問題，在微小范圍控制爐內碳勢偏差，實現奧氏體不銹鋼關鍵件的滲碳質量的穩定性，提高產品的合格率。

[1] 章云飛. 奧氏體不銹鋼應變強化容器材料性能及接管安全性研究[D]. 上海：華東理工大學學位論文，2013.

[2] D. Wu, Y. Ge, H. Kahn, et al. Diffusion profiles after nitrocarburizing austenitic stainless steel[J]. Surface & Coatings Technology, 2015, 279: 180-185.

[3] 朱云峰，潘鄰，張良界，等. 不損害耐蝕性的奧氏體不銹鋼滲碳強化技術研究進展[J]. 金屬熱處理，2012,37（7）:1-6.

[4] 袁家祥，劉臻，汪正兵，等. 深層滲碳對熱處理設備的要求[C]. 2005年（西安）齒輪材料與熱處理工藝技術發展研討會齒輪熱處理論文集.

[5] 朱云峰. 奧氏體不銹鋼低溫滲碳技術及滲碳層組織和性能研究[D]. 北京：機械科學研究總院學位論文, 2013.

[6] 馬飛，潘鄰，張良界，等. 奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳后的組織性能[J].材料保護, 2014, 47（增1）:68-71.

Development of Low Temperature Corrosion Resistant Strengthening Complete Equipment with Austenitic Stainless Steel

Peng Engao1, Li Peng2, Zhou Yangning1

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

TF345

A

1003-4862（2017）05-0051-04

2016-12-15

彭恩高（1978-），男，工程師/博士，研究方向為機械結構設計。