一种在不锈钢表面获得膨胀α相的方法技术

本发明专利技术提供的是一种在不锈钢表面获得膨胀α相的方法。将经过预处理的不锈钢材料放入等离子体多元共渗炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气，起辉升温；待达到200～250℃后，通入含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，调节含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛与氢气的体积比，使炉内压力为200～1000Pa，当温度为300～500℃时开始计时，期间保持抽气状态；保温1～16h后，停止通入氢气，待温度低于200℃后，停止通氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，随炉降温至40℃以下，出炉。采用该工艺方法处理后的不锈钢在表面获得了含氮碳“膨胀”α相的改性层，经该方法处理后的不锈钢表面的硬度和耐磨性显著提升且不影响不锈钢的耐蚀性。

A method of obtaining the expansion of the alpha phase on the surface of a stainless steel

The invention provides a method for obtaining the expansion of the alpha phase on the surface of a stainless steel. After the pretreatment of stainless steel materials into the plasma multicomponent cementation furnace, vacuum to 10Pa below, by hydrogen starting temperature; to reach 200~250 DEG C, pass into the nitrogen atmosphere or carbon or nitrogen atmosphere carbon atmosphere, regulating nitrogen atmosphere or carbon or nitrogen atmosphere and carbon atmosphere the volume ratio of hydrogen, the furnace pressure is 200 ~ 1000Pa, the start time when the temperature is 300~500 degrees centigrade during pumping state; thermal insulation 1 ~ 16h, stop by hydrogen to a temperature below 200 DEG C, stop nitrogen atmosphere or carbon atmosphere or carbon nitrogen atmosphere with furnace cooling to 40 DEG C, released. The modified stainless steel with \nitrogen\ and \swelling\ alpha phase was obtained on the surface of the treated stainless steel. The hardness and wear resistance of the treated stainless steel surface were significantly improved, and the corrosion resistance of stainless steel was not affected.

【技术实现步骤摘要】
一种在不锈钢表面获得膨胀α相的方法
本专利技术涉及的是一种金属材料表面改性方法，具体地说是一种不锈钢表面改性处理工艺。
技术介绍
渗氮/渗碳/氮碳共渗等工艺是一种将间隙原子(氮、碳等)渗入金属材料表层，使金属材料表面的化学成分和显微结构发生改变的化学热处理工艺。一般经过改性处理后的金属材料表面，可以形成一层致密的化合物层，这种化合物层具有较高的硬度和耐磨性，可以大大提高金属工件的使用寿命，因此得到了广泛的应用。不锈钢是一种Cr含量为10.5％以上的FeCr合金，为了提高不锈钢的表面性能，人们对不锈钢表面改性技术进行了系列研究，产生了很多的改性方法，有效的提高了其耐磨性。其中低温等离子体化学热处理工艺可在提高不锈钢表面强度和耐磨性的基础上不降低其耐蚀性，成为国内外的研究热点。低温等离子体化学热处理主要包括低温渗氮，渗碳和氮碳共渗，在较低温度下进行(低于氮化铬和碳化铬的形成温度)，形成的过饱和“膨胀”相具有较高的硬度，良好的耐腐蚀性能，因此可在提高不锈钢表面耐磨性的同时保持甚至提高其耐蚀性能。目前，人们在奥氏体不锈钢表面很容易获得单一的“膨胀”γ相(即γN/C，间隙原子在γ-Fe基体中的过饱和固溶体相)，但是目前为止，人们很难在马氏体不锈钢等具有体心立方结构的不锈钢表面获得均匀致密的“膨胀”α相层。马氏体不锈钢有磁性，其力学性能可以通过热处理进行调整，较为良好。而且其具有中等程度的耐蚀性，同时还具有低于650℃的良好耐热性。随着装备制造业的发展，对马氏体不锈钢等性能的要求越来越高，马氏体不锈钢的应用受到越来越多的限制。尽管目前已经有一些研究者将低温渗氮/渗碳/氮碳共渗等应用于马氏体不锈钢的表面改性，以提高其表面硬度和耐磨性，并取得了良好的效果。但是由于表面渗层中生成相较多，降低了马氏体不锈钢的耐蚀性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够获得具有较高的硬度和良好的耐磨性改性层，且不影响不锈钢的耐蚀性的在不锈钢表面获得膨胀α相的方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一：将经过预处理的不锈钢材料放入等离子体多元共渗炉中，抽真空至10Pa以下，通入0.1～0.5L/min氢气，起辉升温；步骤二：待达到200～250℃后，通入含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，调节含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛与氢气的体积比为(0.5～3):(3～4)，使炉内压力为200～1000Pa，当温度为300～500℃时开始计时，期间保持抽气状态；步骤三：保温1～16h后，停止通入氢气，待温度低于200℃后，停止通氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，随炉降温至40℃以下，出炉。本专利技术还可以包括：1、所述的含氮气氛为氮气或氨气；所述的含碳气氛为甲烷或丙酮；所述的含氮碳气氛为氮气与甲烷的体积比为1:(0.25～1)混合气体，或为氮气与乙醇蒸汽的体积比为1:(0.25～1)混合气体。2、步骤一中，通入氢气之前先通入氩气，或者是通入氢气同时通入氩气。3、步骤二中，当通入含氮气氛或含氮碳气氛时，当温度为300～450℃时开始计时。4、步骤二中，当通入含碳气氛时，当温度为300～500℃时开始计时。5、所述预处理包括：(1)对不锈钢材料进行均匀化热处理；(2)进行物理清洗，去除工件表面油污和杂质包括：用240#～800#砂纸打磨表面氧化层；再用丙酮、酒精和去离子水对进行5min以上的超声波清洗，去除工件表面油污和杂质，干燥。本专利技术具有以下积极的效果：通过该方法处理后的不锈钢表面形成了主要含“膨胀”α相的层。该工艺方法具有工艺简单，生产周期短，易于产业化生产、清洁无污染等特点，获得的含“膨胀”α相的改性层具有较高的硬度和良好的耐磨性且不影响不锈钢的耐蚀性。不锈钢类型为马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体-铁素体或铁素体-马氏体双相不锈钢。处理前对不锈钢进行均匀化热处理，形成均匀化组织，其中马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和马氏体-铁素体或铁素体-马氏体双相不锈钢等进行固溶处理，铁素体不锈钢进行退火处理。附图说明图1为2Cr13马氏体不锈钢460℃等离子体渗碳表层XRD图谱。图2为1Cr17Ni2马氏体不锈钢460℃等离子体渗碳表层XRD图谱。图3a-图3b为1Cr17铁素体不锈钢440℃等离子体渗氮8h渗层，其中图3a为XRD图谱；图3b为硬度分布曲线。图4a-图4b为00Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢430℃等离子体氮碳共渗4h渗层，其中图4a为截面金相组织；图4b为XRD图谱。图5a-图5b为00Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢430℃等离子体氮碳共渗4h渗层，其中图5a为显微硬度曲线；图5b为摩擦系数曲线。具体实施方式下面举例对本专利技术做更详细的描述。具体实施方式一：一种在2Cr13马氏体不锈钢表面获得均质等含碳“膨胀”α相层的工艺方法，该工艺包括以下步骤：一、对2Cr13马氏体不锈钢进行固溶处理，使不锈钢组织均匀化；二、对不锈钢工件表面用240#～800#的SiC砂纸打磨表面氧化层，再依次在乙醇、丙酮和去离子水中对不锈钢工件进行超声波清洗，去除工件表面油污和杂质，干燥后待用；三、将不锈钢工件放入等离子体多元共渗炉内，抽真空至10Pa以下，通入极少量经过干燥后的氢气，起辉升温，同时进行等离子体清洗；四、温度达到100℃时，通入丙酮蒸汽，调节丙酮和氢气比例为1:4，炉内压力250Pa，温度升至460℃开始计时，渗碳时间为8h；五、渗碳时间完成后，先将渗碳电压调至最小，停止通入氢气，待温度降到200℃以下时，停止通入丙酮，待炉内气压降至10Pa以下，停止抽真空，等待炉内温度下降至40℃以下，通入空气，打开炉子，取出试样。对本实施方式所获得的试样表面进行XRD测试，结果如附图1所示，由图可见，除了基体α-Fe相外，渗层中主要是含碳“膨胀”α相。经过本实施方式处理的试样渗层均匀致密，渗层硬度远高于基体硬度，表面硬度可达850HV。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中渗碳温度为500℃，保温4h。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。通过本实施方式获得了含碳“膨胀”α相的改性层。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中通入的丙酮和氢气比例为2:4，炉内压力300Pa。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。通过本实施方式获得了含碳“膨胀”α相的改性层。具体实施方式四：一种在1Cr17Ni2不锈钢表面获得含碳“膨胀”α相层的工艺，该工艺包括以下步骤：一、对1Cr17Ni2不锈钢进行固溶处理，并使不锈钢组织均匀化；二、对不锈钢工件表面用240#～800#的SiC砂纸打磨表面氧化层，再依次在乙醇、丙酮和去离子水中对不锈钢工件进行超声波清洗，去除工件表面油污和杂质，干燥后待用；三、将不锈钢工件放入等离子体多元共渗炉内，抽真空至10Pa以下，通入极少量经过干燥后的氢气，起辉升温，同时进行等离子体清洗；四、温度达到100℃时，通入丙酮，调节丙酮和氢气比例为1:4，调节丙酮和氢气比例为1:4，炉内压力250Pa，温度升至460℃开始计时，渗碳时间为8h；五、渗碳时间完成后，先将渗碳电压调至最小，停止通入氢气，待温度降到200℃以下时，停止通入丙酮，待炉内气压降至20Pa以下，封闭炉子，停止抽真空，等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在不锈钢表面获得膨胀α相的方法，其特征是：步骤一：将经过预处理的不锈钢材料放入等离子体多元共渗炉中，抽真空至10Pa以下，通入0.1～0.5L/min氢气，起辉升温；步骤二：待达到200～250℃后，通入含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，调节含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛与氢气的体积比为(0.5～3):(3～4)，使炉内压力为200～1000Pa，当温度为300～500℃时开始计时，期间保持抽气状态；步骤三：保温1～16h后，停止通入氢气，待温度低于200℃后，停止通氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，随炉降温至40℃以下，出炉。

【技术特征摘要】
1.一种在不锈钢表面获得膨胀α相的方法，其特征是：步骤一：将经过预处理的不锈钢材料放入等离子体多元共渗炉中，抽真空至10Pa以下，通入0.1～0.5L/min氢气，起辉升温；步骤二：待达到200～250℃后，通入含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，调节含氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛与氢气的体积比为(0.5～3):(3～4)，使炉内压力为200～1000Pa，当温度为300～500℃时开始计时，期间保持抽气状态；步骤三：保温1～16h后，停止通入氢气，待温度低于200℃后，停止通氮气氛或含碳气氛或含氮碳气氛，随炉降温至40℃以下，出炉。2.根据权利要求1所述的在不锈钢表面获得膨胀α相的方法，其特征是：所述的含氮气氛为氮气或氨气；所述的含碳气氛为甲烷或丙酮；所述的含氮碳气氛为氮气与甲烷的体积比为1:(0.25～1)混合气体，或为氮气与乙醇蒸汽的体积比为1:(0.25～1)混合气体。3.根据权利要求2所述的在不锈钢表面获得膨胀α相的方法，其特征是：步骤二中，当通入含氮气氛或含氮碳气氛时，当温...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞良，韦朝阳，徐昂，丛志翔，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23