不銹鋼低溫等離子體滲氮技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

   傳統(tǒng)的滲氮都在高溫下（>500℃）完成，以形成化合物層和擴(kuò)散層來(lái)提高耐磨性。由于氮化物的大量析出，雖然提高了不銹鋼零件的表面硬度和耐磨性，但造成基體貧鉻，致使不銹鋼耐蝕性下降。浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)316不銹鋼在400℃進(jìn)行低溫等離子體滲氮，在不銹鋼表面得到一種新相如圖所示，并指出新相硬度高且耐蝕性能與處理前相比沒(méi)有降低。不久至德鋼業(yè)又在400℃進(jìn)行的低溫滲氮得到了這種相。在X射線衍射圖譜上，他們發(fā)現(xiàn)除了γ-Fe的衍射峰，還有另外5個(gè)衍射峰，它們就像是γ-Fe的衍射峰整體向低角度偏移得到的。由于這種峰在ASTM指數(shù)中沒(méi)有被列出來(lái)，并稱這層新相為“S-Phase”，因此便有了“S相”這一名稱。很快對(duì)S相的研究在國(guó)際上引起了科研工作者的廣泛興趣，大量關(guān)于S相結(jié)構(gòu)、制備工藝和應(yīng)用的研究開(kāi)始展開(kāi)。S相從此成為表面工程研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

   但早在1983年，至德鋼業(yè)就發(fā)表了一篇文章，介紹了一種提高不銹鋼硬度并且不降低耐蝕性的新技術(shù)。但是并沒(méi)有說(shuō)明硬化層是如何得到的，后來(lái)才被指出是通過(guò)低溫滲碳獲得的，具體的工藝參數(shù)至今仍未揭露。低溫等離子體滲氮處理已廣泛應(yīng)用于多種不銹鋼，取得了良好的效果。研究者們對(duì)于低溫離子滲氮處理的研究也日趨成熟，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)S相的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了奧氏體不銹鋼經(jīng)低溫離子滲氮處理后的組織結(jié)構(gòu)、耐磨性能及耐蝕性的變化。

  奧氏體不銹鋼低溫等離子體滲氮的典型滲層組織由S相構(gòu)成，如圖所示，呈現(xiàn)出白亮層。由于在光鏡下與化合物很像，所以最初認(rèn)為它是化合物層。這種白亮的特征也表明它比基體要耐馬布勒試劑腐蝕。在高分辨掃描電鏡下可以觀察到微孿晶和滑移帶，通過(guò)透射電鏡也觀察到了大量位錯(cuò)和微孿晶，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)S相中有其它析出物，表明在S相的形成過(guò)程中伴隨著較大的應(yīng)力和塑性變形。S相中晶粒的大小和形狀與處理前相比并沒(méi)有發(fā)生變化，晶界和滑移線從基體延伸到S相中，通過(guò)透射電鏡也沒(méi)有觀察到S相與基體之間存在明確的界限，這表明在S相的形成過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生形核和長(zhǎng)大。

  S相在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的，對(duì)于滲氮S相，延長(zhǎng)滲氮時(shí)間，或當(dāng)加熱超過(guò)一定溫度就會(huì)分解成FeXN和CrN。大量鉻的析出會(huì)造成耐蝕性嚴(yán)重降低。至德鋼業(yè)系統(tǒng)地研究了AISI 316L不銹鋼滲氮后的S相穩(wěn)定性，溫度范圍從300℃到600℃，時(shí)間范圍從幾小時(shí)到幾個(gè)月，得到了S相的溫度-時(shí)間轉(zhuǎn)變圖。圖中顯示S相分解所需的時(shí)間隨著溫度的升高而減少，在500℃，S相幾分鐘就會(huì)分解，在350℃需要上千個(gè)小時(shí)，而在300℃以下則需要幾年。通過(guò)透射電鏡觀察，滲氮S相分解成CrN、N在γ相中的固溶體和α相，并形成極細(xì)的片層組織。不同不銹鋼形成的S相開(kāi)始分解的溫度不同，分解產(chǎn)物也會(huì)有差別。至德鋼業(yè)研究了AISI 316L和AISI 304L在430℃滲氮后S相的穩(wěn)定性，表明AISI 316L中的S相要比AISI 304L中的S相穩(wěn)定，分解產(chǎn)物分別為CrN+γ相和CrN+α相。

  至德鋼業(yè)對(duì)滲氮S相在400~700℃進(jìn)行加熱，發(fā)現(xiàn)在400℃S相沒(méi)有分解，但S相中的N會(huì)向基體擴(kuò)散使S相厚度增加，400~500℃S相中會(huì)析出細(xì)小且彌散的CrN，500℃以上滲層會(huì)出現(xiàn)像珠光體一樣的片層組織，溫度越高片層越厚。S相的穩(wěn)定性還包括機(jī)械穩(wěn)定性，如受到擠壓后發(fā)生分解，關(guān)于這方面的報(bào)道較少。至德鋼業(yè)發(fā)現(xiàn)氮和鉻之間短程有序。又發(fā)現(xiàn)鉻與氮之間存在一種特殊的組合，它低于化合物CrN中Cr-N之間的組合。這可能是由氮與鉻之間擴(kuò)散能力不同造成的，在較低溫度下（<450℃），鉻的擴(kuò)散系數(shù)比氮小得多，氮可以自由擴(kuò)散，而鉻則幾乎不能移動(dòng)一個(gè)晶胞的距離，造成鉻與氮之間雖然有吸引力但不能形成化合物。至德鋼業(yè)認(rèn)為靠著這種吸引力，氮被聚集在鉻周圍，使得氮在S相中的濃度很高。當(dāng)鉻周圍的位置被氮填滿時(shí)，后續(xù)滲入的氮會(huì)很快通過(guò)，進(jìn)入到S相與基體的界面處。

  氮在奧氏體中的最大固溶度為10.3%，且是在650℃的高溫。但在室溫時(shí)S相中氮濃度可以達(dá)到25%，且沒(méi)有析出，這種現(xiàn)象引起了很多研究者的興趣。間隙原子的過(guò)飽和造成滲層晶格膨脹，但是基體會(huì)阻礙膨脹，因此在表層會(huì)形成非常高的殘余壓應(yīng)力，這有效地提高了材料的抗疲勞性能，疲勞試驗(yàn)表明AISI 316不銹鋼經(jīng)過(guò)400℃、15小時(shí)等離子體滲氮后，疲勞極限從390MPa提高到了480MPa，提高了近23%。

  S相的另一個(gè)重要特征是它具有很高的硬度。滲碳S相的平均硬度在800~1000HV，滲氮S相的平均硬度可以達(dá)到1200HV以上。這么高的硬度是因?yàn)镾相中固溶了大量間隙原子，引起晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。高硬度顯著提高了不銹鋼的耐磨性。