304不銹鋼管高溫快速氮化組織與耐腐蝕性能的研究
為避免鉻氮化物的析出,離子滲氮一般在低溫(<450℃)下來(lái)制備S相層。浙江至德鋼業(yè)有限公司在高溫下快速氮化獲得氮的膨脹奧氏體S相層。304不銹鋼管在高溫(530℃)下滲氮處理0~5小時(shí)。采用X射線(xiàn)衍射儀、掃描電鏡和顯微硬度儀等表征氮化樣品。采用陽(yáng)極極化試驗(yàn)研究氮化前后樣品在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能。結(jié)果表明:高溫快速氮化處理不僅提高奧氏體不銹鋼的表面硬度,而且提升了耐蝕性。
奧氏體不銹鋼表面存在致密的鈍化層,在常規(guī)氣體氮化處理過(guò)程中,氮難于滲入奧氏體基體。需采用酸洗或拋丸等預(yù)處理措施,去除鈍化層從而實(shí)現(xiàn)滲氮。直流離子氮化方法處理奧氏體不銹鋼時(shí),可通過(guò)強(qiáng)烈的離子轟擊與濺射將鈍化層除去,這在實(shí)際工程技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。離子滲氮通常在低溫下進(jìn)行,主要為了避免鉻的氮化物析出,在表面形成單一的S相層,在提高硬度及耐磨性的同時(shí)保證了奧氏體不銹鋼原有的耐腐蝕性。
浙江至德鋼業(yè)有限公司總結(jié)了在350~500℃下離子氮化奧氏體不銹鋼S相的相變時(shí)間與溫度關(guān)系,并指出奧氏體不銹鋼離子滲氮處理技術(shù)的關(guān)鍵在于控制足夠的滲氮溫度或者較短的滲氮時(shí)間。低溫離子氮化工藝通常在溫度低于450℃下進(jìn)行,因此需要較長(zhǎng)時(shí)間才能獲得有足夠厚度的相強(qiáng)化層。一般來(lái)講,制備厚度為8~10m的單一S相改性層需要6小時(shí)以上時(shí)間。鑒于此,本試驗(yàn)期望在高溫下快速氮化制備S相層,在短時(shí)間內(nèi)CrN無(wú)法析出。在不影響耐蝕性能的前提下,提高滲氮速率。
一、試驗(yàn)材料與方法
材料為304不銹鋼管,選用直徑20mm的304不銹鋼管,經(jīng)線(xiàn)切割成厚度為6mm的圓管段,然后用SiC砂紙從粗到細(xì)將試樣表面磨平,然后進(jìn)行拋光。氮化處理在等離子體滲氮爐中進(jìn)行,爐內(nèi)安裝活性屏裝置,與電源陰極聯(lián)系。氮化加熱速度約為15~18℃/min,氮化溫度加熱到530℃需用時(shí)0.5小時(shí)。然后分別保溫氮化處理0、1、5小時(shí),氣壓維持在450 Pa左右,研究304不銹鋼管的高溫快速氮化行為。
用德國(guó)布魯克D8型-X射線(xiàn)衍射分析儀測(cè)定原始基體與不同滲氮樣品的相結(jié)構(gòu),選用CuKα(波長(zhǎng)為0.15406nm)靶,電壓為40.0kV,電流30.0mA,掃描范圍為30°~90°,掃描步長(zhǎng)為0.05°。采掃描電鏡觀察滲氮層的組織形貌;用顯微硬度計(jì)測(cè)量表面硬度,條件為載荷為1N,加載時(shí)間15秒。電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)采用科斯特S350型電化學(xué)工作站,腐蝕液為3.5wt%的NaCl溶液。電極體系為:參比電極選用飽和甘汞電極,輔助電極為鉑絲電極,掃描速率1mV/s。
二、試驗(yàn)結(jié)果及討論
1. 氮化層組織
圖是在530℃下不同處理時(shí)間氮化試樣的斷面SEM形貌??煽闯觯瑒偟綔兀?h)時(shí),表面形成較?。?.6m)的氮化層。在530℃保溫1小時(shí),制備了厚度均勻的(約8m)的氮化層,其為無(wú)CrN析出的單一S相氮化層,具有良好的耐腐蝕性。當(dāng)?shù)?小時(shí)后,氮化層厚度達(dá)到18微米,但伴有黑色物相析出,不再表現(xiàn)為單一相組織。
2. XRD分析
圖是基體和不同氮化試樣表面的XRD圖。可看出,原始304不銹鋼管主要由奧氏體相γ(111)和γ(200)組成。經(jīng)滲氮處理的試樣,在奧氏體γ(111)和γ(200)衍射峰的低角度方向都出現(xiàn)了新的較寬的衍射峰S(111)和S(200),其強(qiáng)度和位移也隨著滲氮時(shí)間的變化而改變。當(dāng)保溫1 h時(shí),圖譜主要以衍射峰S(111)和S(200)組成。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)為5小時(shí),XRD圖譜主要由是CrN和馬氏體α相為主。S相是一種亞穩(wěn)態(tài)的中間相,在高溫條件下不穩(wěn)定。隨滲氮處理時(shí)間的延長(zhǎng),在高溫下亞穩(wěn)態(tài)的S相發(fā)生轉(zhuǎn)變:S→CrN+,有氮化析出物和缺陷出現(xiàn)。
3. 硬度分析
圖是未處理與不同滲氮樣品的顯微硬度??煽闯?,隨處理時(shí)間的延長(zhǎng),硬度不斷升高。滲氮1小時(shí)試樣的表面硬度增加到840 HV0.1,約為基體硬度的3倍多。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到5小時(shí),硬度達(dá)到1100HV0.1左右。硬度的升高與厚度變大有關(guān),不再受較軟基體的影響,同時(shí)CrN的析出和表面層較高的殘余應(yīng)力起到強(qiáng)化作用。
4. 耐蝕性分析
將未處理和氮化樣品進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn),獲得的陽(yáng)極極化曲線(xiàn)見(jiàn)圖??煽闯?,在含氯離子腐蝕介質(zhì)中,未處理基體存在著鈍化區(qū)(-0.4~0.2 V),在電壓超過(guò)0.25 V后,電流密度迅速升高,表現(xiàn)為明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。短時(shí)處理(0小時(shí)和1小時(shí))樣品的耐蝕性能優(yōu)于原始樣品。特別是氮化1小時(shí)304不銹鋼管樣品,相比氮化0小時(shí)304不銹鋼管樣品,自腐蝕電位升高,形成了良好的鈍化區(qū),鈍化電流低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí),點(diǎn)蝕電位升高了0.2V。這是快速滲氮在表面制備了較厚的S相層,其耐蝕性較好,能阻礙腐蝕液尤其是氯離子的侵入。滲氮5小時(shí)304不銹鋼管樣品的耐蝕性能下降,這是因?yàn)樵诒韺有纬蒀rN和馬氏體α相等多種物相,異相之間形成電偶腐蝕,耐蝕性惡化。
三、結(jié)論
1. 高溫快速氮化可有效處理304不銹鋼管,在表面制備了不同厚度和結(jié)構(gòu)的氮化層,明顯提升了基體硬度。
2. 在高溫530℃下,較短的處理時(shí)間1小時(shí)內(nèi),可制備無(wú)CrN析出的單一S相氮化層。S相處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的中間相,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),CrN相開(kāi)始析出,5小時(shí)后轉(zhuǎn)變?yōu)镃rN和馬氏體α相。
3. 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)表明高溫短時(shí)間(1小時(shí)內(nèi))的氮化304不銹鋼管樣品提升了在NaCl溶液中的耐點(diǎn)蝕性。
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