AISI304和AISI316奧氏體不銹鋼氣體滲碳腐蝕磨損性能分析

彭恩高，周陽寧，李 朋

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AISI304和AISI316奧氏體不銹鋼氣體滲碳腐蝕磨損性能分析

彭恩高1，周陽寧1，李 朋2

（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）

本文提出了低溫氣體滲碳工藝，通過對AISI304和AISI316進行低溫氣體滲碳處理，研究了這兩種奧氏體不銹鋼的低溫滲碳組織性能，發(fā)現(xiàn)該工藝具有兼顧表面強度與耐蝕性能的特點。試驗結(jié)果表明：在同一滲碳時間下，滲碳氣體溫度越高，不銹鋼表面的硬度就越大，其耐磨性就越強，這證明不銹鋼的耐磨性與其表面硬度的大小是成正比例。在同等試驗條件下，AISI316可以獲得比AISI304更優(yōu)的綜合性能。

奧氏體不銹鋼 氣體滲碳 滲碳組織 腐蝕 磨損形態(tài)

0 引言

奧氏體不銹鋼在石油、化學、輕工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中應用廣泛，典型零件如水泵、齒輪、管道、閥門閥座等。過濾器、管接頭、球閥等化工行業(yè)領(lǐng)域流體件不但要有良好的耐蝕性能，而且需要一定的耐磨性能，從而保證其在反復的使用中不會因為磨損導致尺寸變小致使工件失效或是長時間的腐蝕造成化工液體滴、漏、跑等現(xiàn)象。常規(guī)化學熱處理、熱噴涂、表面沉積、離子注入等表面強化手段，容易引起耐蝕性下降、涂層剝落，或是工藝操作困難、強化效果差[1-2]。因此，突破奧氏體不銹鋼表面強度提高伴隨腐蝕性能下降的悖論，尋求抗磨損性能和耐腐蝕性能的最佳配合，是擴大奧氏體不銹鋼應用的關(guān)鍵所在。

自20余年前人們發(fā)現(xiàn)固溶強化作用可以實現(xiàn)奧氏體不銹鋼的耐蝕強化后，歐美等國家采用多種技術(shù)手段，開展低溫化學熱處理技術(shù)的應用研究，促進低溫氣體滲碳技術(shù)日趨成熟，其成套處理工藝已形成專利加以保護[3]。但是，在我國該技術(shù)仍屬空白。最近10年，美國Swagelock公司、日本Airwater以及荷蘭Kolsterising公司相繼解決了低溫氣體滲碳工藝中關(guān)鍵難題，其中美國Swagelock公司和荷蘭Kolsterising公司的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并將其技術(shù)成功地應用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，出于對產(chǎn)業(yè)的保護，研發(fā)技術(shù)及設備禁售中國。在縮短技術(shù)的時間差距，全面突破歐美技術(shù)壟斷和貿(mào)易壁壘嚴峻形式下，為了有效地解決奧氏體不銹鋼低溫滲碳工藝的技術(shù)難題，達到既提高表面強度又提高耐蝕性的目的，實現(xiàn)兩者兼而有之。在此基礎上，本文采用低溫滲碳工藝對AISI304和AISI316奧氏體不銹鋼表面進行強化，進行相關(guān)試驗研究。該工藝近年來發(fā)展迅速，并且不影響奧氏體不銹鋼的耐蝕性能。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗采用自主研發(fā)的低溫氣體滲碳爐作為滲碳設備，主要由氣路和電路兩個控制系統(tǒng)組成。氣路控制滲碳氣氛，電路控制加熱溫度及恒溫保溫時間。詳見圖5(a)、(b)、(c)所示。

圖1 低溫氣體滲碳爐實物圖

1.2 試驗材料

AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼試樣，尺寸20 mm×20 mm×3 mm，用砂紙打磨試樣表面。試樣化學組成見表1。試樣入爐處理前，依次經(jīng)過堿洗→清水去污→無水乙醇脫水→烘干等工序處理。

試驗條件：真空度為1.33×105Pa，氮碳氫混合氣工作氣源N2:CO:H2=50%:(10-40%):10%，450～500℃，48 h。滲碳前預處理溫度150~400℃，N2與Rx混合氣體氛圍，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(shù)見表2，工藝示意圖見圖2。

表1 試樣材料化學成分（wt%）

圖2低溫氣體滲碳工藝示意圖

表2 AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳工藝參數(shù)

試驗采用氯化鐵鹽酸試劑顯示滲碳層金相組織，對試樣采取重腐蝕并觀察組織結(jié)構(gòu)，區(qū)分硬化層組織與基體組織。利用XJX-1型金相顯微鏡進行金相組織觀察，采用HXS-1000AK型顯微硬度計測量硬度，使用XRD-6000 X-ray Diffractometer（日本島津公司生產(chǎn)）分析滲層相結(jié)構(gòu)。采用HXS-1000AK型數(shù)字硬度計（上海尚光顯微鏡有限公司生產(chǎn)）測量試樣的維氏硬度，載荷25 g，加載時間10 s，采用Profiler HR型輝光發(fā)射光譜儀（GDOES）（Horiba Jobin Yvon公司生產(chǎn)）測試原子發(fā)射光譜，利用JSM-6510LV型掃面電子顯微鏡（SEM）（日本進口）觀察和分析試樣磨痕的表面形貌與微觀組織，試樣表面微區(qū)成分的定性和半定量分析是在INCAx-actSN57014型EDS（英國牛津公司）能譜儀上完成，試樣的耐蝕性能檢測在PARSTAT2273型電化學工作站上完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相硬度XRD分析

采用所選浸蝕劑對低溫氣體滲碳后的試樣進行1~3 s的擦蝕，圖3為AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼為經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃低溫氣體滲碳工藝處理的試樣截面形貌照片。

圖3 不同滲碳溫度下AISI316 & AISI304奧氏體不銹鋼滲層的金相顯微組織

AISI316采用低溫氣體滲碳工藝處理，在經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃，滲碳48 h后的表面硬度分別達到700 HV25、800 HV25和1000 HV25，硬度以梯度的形式下降。經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃，依據(jù)相關(guān)標準[4-6]，滲碳48h后低溫氣體滲碳工藝處理的試樣有效硬化層深度依次分別為15 μm、30 μm、38 μm和40 μm，經(jīng)過32 h、72 h，滲碳溫度470 ℃后試樣有效硬化層深度分別為14 μm及45 μm。同樣，AISI304經(jīng)過450 ℃、470℃、480℃和500℃處理后表面硬度處于700~1100 HV25范圍，有效硬化層分別為18 μm、21 μm、23 μm和25 μm，經(jīng)過32 h、72 h及470℃后低溫氣體滲碳工藝處理的試樣有效硬化層深度分別為4 μm、52 μm。見圖4所示。

圖5為AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼不同滲碳溫度下滲層表面X射線衍射圖譜。試驗數(shù)據(jù)顯示：AISI316經(jīng)450℃和470℃處理后晶體結(jié)構(gòu)保持不變，未生成新相。與基體組織相的(111)和(222)晶面衍射峰相比，滲碳處理后AISI316的γc相的滲層衍射峰變寬，逐步有偏移至低角度的趨勢，過飽和的碳元素導致晶格畸變，使γ相的點陣常數(shù)增大明顯，形成膨脹型奧氏體結(jié)構(gòu)，即典型的γ相結(jié)構(gòu)，也成為S相[6-7]。試驗表明，在450℃和470℃下進行低溫氣體滲碳，可以獲得具有單一γ相且無碳化物析出的滲碳層結(jié)構(gòu)。480℃、500℃處理后的AISI316的衍射峰發(fā)生了變化，出現(xiàn)了含鉻、鐵的碳化物，使得AISI316的耐蝕性降低，詳見腐蝕性分析。同理，AISI304經(jīng)過450℃、470℃、480℃和500℃處理后的X射線衍射圖譜和AISI316的變化趨勢一致，是基于同樣的原理。

(a1)(a2) (b1)(b2)

(a)(b)

當滲碳溫度達到480 ℃、500 ℃，X射線衍射譜中有碳化物組織出現(xiàn)，如Cr23C6，Cr7C3，F(xiàn)e3C等。這些含鉻碳化物的出現(xiàn)解釋了γ相已開始析出而導致分解的緣由，分解出的C原子和基體中的Cr原子結(jié)合生成Cr23C6和Cr7C3。含鉻碳化物的析出導致不銹鋼表面鉻原子（自由）的含量降低，以致沒有足夠的Cr原子（貧鉻區(qū)）來滿足鈍化需求[8-9]。在腐蝕環(huán)境中，缺乏足夠的Cr原子的區(qū)域（貧鉻區(qū)）易成為陽極，優(yōu)先被溶解，導致耐腐蝕性能下降甚至不耐腐蝕，表層組織顏色暗黑，與圖3中的金相組織相對應。

2.2 耐磨分析

圖6是不同滲碳溫度下低溫氣體滲碳工藝處理AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼和未處理試樣的磨損率比較，得出低溫氣體滲碳處理前后的相關(guān)數(shù)據(jù)（見表3）。

圖6 不同溫度下AISI316和AISI304的磨損率比較

表3 五組試樣的磨損率數(shù)據(jù)

SEM照片顯示：經(jīng)處理過的AISI316的磨損率比未處理的偏低，且處理過的AISI316和AISI304的磨損率隨滲碳溫度的升高而降低，占比約為原來的1/3~1/2。這意味著在一定溫度范圍內(nèi)，隨著滲碳溫度的升高，AISI316和AISI304的磨損率逐漸降低，表明經(jīng)低溫滲碳工藝處理后不銹鋼的耐磨性增強[7]。

2.3 耐蝕性分析

圖7是在不同的滲碳溫度下低溫氣體滲碳處理的和未處理的AISI316和AISI304的Tafel極化曲線，有關(guān)試驗數(shù)據(jù)見表4。圖中，點蝕電位取Tafel曲線陽極極化區(qū)電流密度為10 μA/cm2處對應的電位[10]。結(jié)果表明，AISI316和AISI304奧氏體不銹鋼經(jīng)過480℃、500℃和920℃滲碳處理后，自腐蝕電位下降顯著，腐蝕電流增大為原來的10~100倍，且其Tafel曲線并未顯示有陽極鈍化區(qū)[11]。而經(jīng)過450℃、470℃處理的試樣，自腐蝕電位和腐蝕電流變化不明顯，維鈍電流略微有所降低，470℃處理的試樣其點蝕電位略有下降。

圖7不同處理的和未處理的AISI316和AISI304 Tafel極化曲線

表4 六組試樣的Tafel曲線數(shù)據(jù)

奧氏體不銹鋼的耐蝕性源自其合金元素中Cr/Ni配比滿足Tammann定律，當w(Cr)>13%時不銹鋼的耐蝕性能得到顯著提升[12-13]。如果有含鉻碳化物析出，則滲碳層中的鉻含量必然減少，這會導致試樣表層局部缺鉻（貧鉻區(qū)），降低AISI316和AISI304的耐蝕性能[14-15]。另外，由于析出的碳化物與奧氏體晶粒的電化學特性存在差異，容易形成電偶腐蝕環(huán)境，進一步削弱了滲碳層的耐蝕性能。這可以從電化學試驗中500℃時試樣耐蝕性下降的現(xiàn)象得到體現(xiàn)[13]。碳化物析出曲線表明，在同一滲碳時間下，滲碳溫度越高則越容易形成碳化物。由此可以推測：480℃、500℃時試樣中可能早已形成了碳化物，而碳化物的存在進一步削弱了不銹鋼的耐蝕性能。而經(jīng)過450℃、470℃處理的試樣，其耐蝕性能基本與未處理的試樣相當，故推斷在該溫度下無碳化物析出或碳化物出現(xiàn)很少，不造成耐蝕性能下降。

3 結(jié)論

1）在同一滲碳時間前提下，一定溫度范圍內(nèi)，AISI304和AISI316的耐磨性與其表面硬度成正相關(guān)性。兩種材料的表面硬度隨滲碳溫度升高而增大，耐磨性隨滲碳溫度升高而增強。

2）一定溫度范圍內(nèi)，不同滲碳溫度下，AISI304和AISI316的滲碳層厚度及表面硬度差異明顯。在480℃、500℃滲碳，AISI304和AISI316的滲層深度與表面硬度均得到有效改善，但耐蝕性能有所降低（一定程度上）；而在450℃、470℃滲碳，AISI304和AISI316的滲層深度與表面硬度均得到有效改善，耐蝕性能并未顯著降低。

3）在同等試驗條件下，AISI316材料可以獲得比AISI304綜合性能更優(yōu)良的滲碳層組織，具有較厚的滲碳層與較高的表面硬度。但AISI316滲碳層的耐磨性不及AISI304，而耐蝕性則較AISI304為優(yōu)。

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Corrosion and Wear Properties Analysis of Gas Carburizing for AISI304 & AISI316 Austenitic Stainless Steel

Peng Engao1, Zhou Yangning1, Li Peng2

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

TG304

A

1003-4862（2017）04-0026-05

2016-10-27

彭恩高（1978-），男，工程師/博士。研究方向為機械結(jié)構(gòu)設計。E-mail：863631723@qq.com.