不銹鋼的表面強(qiáng)化工藝及應(yīng)用分析

 不銹鋼表面強(qiáng)化是近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究和應(yīng)用的工藝之一。表面強(qiáng)化一般使用各種物理、機(jī)械或化學(xué)的方法，改變材料表層的相組成和結(jié)構(gòu)的一種方法，從而提高材料表面的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)化效果顯著，成本低廉。不銹鋼的表面強(qiáng)化技術(shù)主要包括：

 1. 表面形變強(qiáng)化技術(shù)：噴丸強(qiáng)化、擠壓強(qiáng)化等。

 2. 表面擴(kuò)滲技術(shù)：滲氮、滲碳、碳氮共滲等。

 3. 表面覆層技術(shù)：噴涂、物理和化學(xué)氣相沉積等

一、不銹鋼表層形變強(qiáng)化

 表面形變強(qiáng)化處理通常是在外力的重復(fù)作用下，材料表面通過(guò)不同方向產(chǎn)生反復(fù)的塑性變形，從而細(xì)化材料表面的粗晶組織。同時(shí)也在材料表面產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和殘余應(yīng)力，從而產(chǎn)生強(qiáng)化效果。目前材料形變強(qiáng)化的主要方法有超聲噴丸、激光沖擊強(qiáng)化、等通道角擠、以及表面機(jī)械研磨等。

 超聲噴丸技術(shù)過(guò)程是將超聲波發(fā)生器發(fā)出的20 Hz左右的電動(dòng)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，幅值再經(jīng)變幅桿放大后傳遞給振動(dòng)工具頭，從而推動(dòng)放置在噴丸室的彈丸快速高頻的撞擊要處理的工件，從而達(dá)到表面強(qiáng)化的效果。常見(jiàn)的超聲噴丸裝置示意圖所示。目前，超聲噴丸技術(shù)已經(jīng)成功地在不銹鋼，鐵,鎳,等合金和金屬表面，從而制備出工件材料表面的超細(xì)晶強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。但超聲噴丸技術(shù)并未改變對(duì)沖擊彈丸技術(shù)的需求，且由于自身的特點(diǎn)限制其在一些加工場(chǎng)合的運(yùn)用。

 激光沖擊技術(shù)是在20世紀(jì)60年代有Fairand和Clauer提出的，最初應(yīng)用于航空工業(yè)上來(lái)抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生。激光沖擊技術(shù)是利用高功率、高密度激光束輻射材料表面，在材料表面產(chǎn)生的高溫、高密度等離子體噴射爆炸形成沖擊應(yīng)力波，然后給材料造成一個(gè)塑性變形層，塑性變形層中的高密度位錯(cuò)和殘余應(yīng)力能抑制材料疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，延長(zhǎng)其抗疲勞壽命。目前激光沖擊技術(shù)主要用來(lái)提高不銹鋼及金屬的耐疲勞、耐腐蝕性。

 等通道角擠壓技術(shù)是20紀(jì)80年代初由Segal等研究顯微組織結(jié)構(gòu)和織構(gòu)時(shí)，為了獲得純剪切應(yīng)變而研發(fā)的一種大塑性變形方法。等通道角擠壓技術(shù)原理是，原始棒材（直徑小于20 mm,長(zhǎng)度在70～100 mm之間）在設(shè)有一定角度的管道中發(fā)生剪切變形，使變形過(guò)的式樣旋轉(zhuǎn)一定角度（0°,90°,180°）再次壓入管道中，從而使變形在不同的滑移面、滑移方向上重復(fù)發(fā)生。這樣經(jīng)過(guò)數(shù)次變形，可制造出塊狀致密的超細(xì)結(jié)構(gòu)材料。目前ECAP技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于鐵、銅、鎳、鈦和不銹鋼等金屬及其合金的細(xì)晶強(qiáng)化。

 機(jī)械研磨技術(shù)是新發(fā)展起來(lái)的新型工藝，通過(guò)嚴(yán)重塑性變形使粗晶式樣表層晶粒細(xì)化，達(dá)到納米級(jí)別結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化工藝。它一般包含兩部分：盛放彈丸和振動(dòng)發(fā)生器以及固定樣品的容器。振動(dòng)發(fā)生器振動(dòng)頻率的范圍是50HZ-20Hz。表面機(jī)械研磨技術(shù)已經(jīng)在多種金屬和合金中實(shí)現(xiàn)了表面機(jī)械納米化結(jié)構(gòu)，如鎂、鐵、鎳、銅和不銹鋼等金屬及其它合金。

 以上介紹的這些形變強(qiáng)化各有優(yōu)缺點(diǎn)，另外關(guān)于不同材料或者相同材料經(jīng)過(guò)不同方法的形變強(qiáng)化處理后的耐腐蝕性能的變化情況，研究者對(duì)于研究結(jié)構(gòu)存在很大的分歧。不銹鋼本身的“不銹性”主要是由于其自身表面的鈍化膜即富鉻氧化膜引起的，同時(shí)也受外界的腐蝕介質(zhì)、不銹鋼的粗糙度、表面成分及圍觀組織的影響。因此不同的形變強(qiáng)化工藝會(huì)導(dǎo)致不銹鋼耐腐蝕性能的不斷變化。

二、不銹鋼離子滲氮強(qiáng)化

 化學(xué)熱處理是將元素滲入零件表層，即是將被滲零件放置于含有活性介質(zhì)的被滲元素氛圍中，通過(guò)不斷改變溫度、壓力和滲入時(shí)間等條件使零件表層滲入被滲元素，獲得一定厚度滲層和理想的組織結(jié)構(gòu)及性能的一種熱處理工藝。其基本原理是固態(tài)擴(kuò)散。一般零件的失效和破壞都是從零件的表面開(kāi)始的，因此為了延長(zhǎng)零件的使用壽命，改善其表面的組織和提高其力學(xué)性能一直是學(xué)者研究的焦點(diǎn)。這也使得化學(xué)熱處理工藝的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)使得表面化學(xué)熱處理工藝有了更多開(kāi)發(fā)的可能性。目前滲擴(kuò)中的離子滲氮技術(shù)由于相對(duì)的諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用。滲氮，是在一定的介質(zhì)中一定的溫度下使氮原子滲入工件表面層的一種化學(xué)熱處理工藝。從六十年代開(kāi)始，滲氮技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在工業(yè)上，目前已經(jīng)發(fā)展為條件相對(duì)成熟的一種化學(xué)熱處理工藝，一般使用的是含有鉻、錳、銅、鋁等合金元素的鋼材即為滲氮材料，也就是通常所說(shuō)的“滲氮鋼”。傳統(tǒng)的滲氮工藝滲氮周期長(zhǎng)，滲氮層厚度難以掌握。為了克服傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)，學(xué)者們也日漸發(fā)明了不少新型的工藝方法，比如，利用利用輝光放電原理，優(yōu)點(diǎn)是它可以用氮?dú)獯姘睔膺M(jìn)行滲氮，稱為離子滲氮。輝光離子滲氮又叫離子滲氮，是一種在小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?，利用工件?yáng)極和陰極之間的稀薄含氮?dú)怏w產(chǎn)生的輝光放電對(duì)金屬零件表面層進(jìn)行強(qiáng)化滲氮的一種化學(xué)熱處理工藝。M.Frarady在1835年發(fā)現(xiàn)了低壓氣放電的現(xiàn)象，德國(guó)的Franz.skaupy在1920年發(fā)現(xiàn)在惰性氣體氣氛中能用輝光放電加熱金屬工件。Berghaus和美國(guó)J.Egan在1930年先后提出了在氣體放電的過(guò)程中進(jìn)行鋼鐵離子滲氮的方案并且取得了專利，但由于當(dāng)時(shí)怎樣在大電流輝光放電條件下獲得穩(wěn)定工作的難題未能解決，致使這種方案在發(fā)明后的30多年時(shí)間里一直未能投入到工業(yè)生產(chǎn)中。一直到20世紀(jì)五六十年代，隨著半導(dǎo)體、等離子體物理和電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及不斷滲入發(fā)展的離子滲氮技術(shù)的研發(fā)，再加上滅弧技術(shù)和陰極輸電結(jié)構(gòu)等難題的突破，離子滲氮技術(shù)日漸成熟，同時(shí)也使得離子滲氮工藝在工業(yè)上的應(yīng)用有了可能性。1963年美國(guó)通用電器公司開(kāi)始把離子滲氮技術(shù)應(yīng)用在大重型動(dòng)力機(jī)械零配件上。1967年原聯(lián)邦德國(guó)克羅克諾爾離子工程有限公司也開(kāi)始對(duì)離子滲氮技術(shù)進(jìn)行專業(yè)規(guī)劃生產(chǎn)，并對(duì)大規(guī)模的工藝與設(shè)備進(jìn)行了可行性研究。從70年代開(kāi)始，中國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、荷蘭、德國(guó)、瑞士等國(guó)家也開(kāi)始對(duì)離子滲氮技術(shù)進(jìn)行研發(fā)與應(yīng)用。80年代以后，離子滲氮技術(shù)就有了更廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展空間，多樣性的化學(xué)熱處理工藝及各種先進(jìn)的設(shè)備也為離子滲氮工藝的發(fā)展提供了更大的發(fā)展空間。主要發(fā)展方向是朝著更新離子滲氮技術(shù)的工藝設(shè)備，改善微機(jī)操控技術(shù)，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，在可靠性分析技術(shù)和人工智能的基礎(chǔ)上，使?jié)B氮溫度、流量、壓力、成分、密度、功率等工藝參數(shù)的程序優(yōu)化和自動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)，從而更進(jìn)一步的提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低消耗。從l971年后，我國(guó)的某些科研單位、院校和一些工廠陸續(xù)開(kāi)始先后投入人力物力財(cái)力，對(duì)離子滲氮工藝進(jìn)行各方面的研發(fā)和運(yùn)用。改革開(kāi)放以來(lái)，由于企業(yè)的重組和市場(chǎng)需求的需要，在我國(guó)也逐漸形成了一些擁有離子滲氮生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)廠，與此同時(shí)也有了引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和資本的合資公司，所有的這些舉措都促進(jìn)了我國(guó)離子滲氮技術(shù)工藝的發(fā)展。目前，離子滲氮設(shè)備技術(shù)已經(jīng)引入了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使自動(dòng)控制和工藝參數(shù)的優(yōu)化過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)了雙層輝光離子滲氮爐和脈沖電源離子滲氮爐，從而起到節(jié)材、節(jié)能、高效的作用。目前在我國(guó)有在20～1000KW之間的各種型號(hào)的離子滲氮爐近千臺(tái)。與普通的氣體滲氮相比，輝光離子滲氮技術(shù)工藝的特點(diǎn)是：可適當(dāng)縮短滲氮周期；滲氮層脆性??；可節(jié)約能源和氨的消耗量；可把不需要滲氮的部分屏蔽起來(lái)，實(shí)現(xiàn)局部滲氮；離子轟擊有凈化不銹鋼的表面作用，能去除工件表面鈍化膜，使不銹鋼零部件直接滲氮；還可以控制滲氮層厚度和組織。離子滲氮技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)在不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、耐熱鋼、工模具鋼、鑄鐵以及粉末冶金材料中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)從黑色金屬往有色金屬滲氮發(fā)展，并向燒結(jié)金屬材料推進(jìn)。尤其是在在鈦合金滲氮中取得較好的效果。另外在表面改性領(lǐng)域中這一塊，在一定的范圍領(lǐng)域內(nèi)也開(kāi)始了與鍍鉻工藝、等離子噴涂技術(shù)等的角逐。離子滲氮技術(shù)由于其本身的諸多優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越受到學(xué)者們的重視。

眾所周知，鐵素體不銹鋼由于富含鉻元素而有很好的抗腐蝕性，因此廣泛用于海洋、化學(xué)、食品、發(fā)電、煤礦等工業(yè)領(lǐng)域，但它強(qiáng)度和硬度較低，耐摩擦和磨損性能不好。所以多數(shù)不銹鋼零部件，由于表面嚴(yán)重磨損而過(guò)早失效，因此如何提高其表面耐磨性和硬度一直是鐵素體不銹鋼表面強(qiáng)化的研究焦點(diǎn)。然而，在大多數(shù)情況下是在表面硬度提高的同時(shí)其耐腐蝕性能也隨著下降。氮化處理是改善鐵素體不銹鋼的摩擦性能相對(duì)廣泛應(yīng)用的表面工程技術(shù)。由于不銹鋼中富含強(qiáng)氮化物元素鉻，因此，通過(guò)在氮化層中鉻氮化物的析出會(huì)使不銹鋼表面產(chǎn)生硬的表化層。但是，也真正是由于其表面氧化層（如CrN2）的存在，因此在相對(duì)較低的溫度下的常規(guī)氣體很難滲氮，氮?dú)怆y于傳輸。在NH3氣氛中，為了獲得均勻的氮化層，在低于600℃下的條件下進(jìn)行氣體氮化時(shí)，氮化前須實(shí)施各種預(yù)處理措施，例如用酸法除去氧化層等。但在離子氮的過(guò)程中，由于有比較強(qiáng)的陰極濺射作用，能有效地除去不銹鋼表面的氧化層，所以，在低于400℃時(shí)，氮?dú)庖材茌^有效地傳輸。以下是不銹鋼離子滲氮的優(yōu)點(diǎn)：

  1. 因?yàn)椴讳P鋼表面通常會(huì)形成一層極致密的氧化鈍化膜，這層鈍化膜不僅堅(jiān)固，而且能在很大程度上阻礙被滲元素的進(jìn)入。在離子滲氮的過(guò)程中，由于會(huì)以擁有高速能勢(shì)的等離子體連續(xù)不斷轟擊工件表面層和由此引起的濺射效應(yīng)可全面地打破不銹鋼表面的氧化鈍化膜和在滲氮的過(guò)程中再次引起的鈍化膜，從而能使金屬亞表層活化，這樣對(duì)與離子滲氮過(guò)程就更容易進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)。

  2. 離子滲氮不但能夠使得工件表層硬度高，而且還能增大硬化層的厚度，因此能夠得到更好的致密層。致密結(jié)實(shí)的滲層是獲得高耐磨性的基礎(chǔ)，有研究發(fā)現(xiàn)，在耐磨性方面，離子滲氮的零部件比氣體滲氮的零部件耐磨性高1倍，且滲層梯度相對(duì)較平緩，與基體部分無(wú)明顯界限，離子滲氮一般可在500～550℃下進(jìn)行，且離子滲氮速度更快。

  3. 離子滲氮的溫度低速度快，所以比氣體滲氮的零件的耐蝕性、光潔度好，另外滲氮后單位面積增量形變小，不大于0.02ram，比氣體滲氮的小1倍，所以一般把其作為加工精密零部件的最后一道工序。

  4. 離子滲氮可以采用掩蓋的方法對(duì)零部件進(jìn)行局部離子滲氮，使得未滲氮的零部件表面仍保持原有的性能。

  5. 離子滲氮可以相對(duì)較好的控制滲氮層組織結(jié)構(gòu)，可通過(guò)添加催滲劑來(lái)改善滲氮效果。研究結(jié)果表明，采用稀土元素、丙酮、鈦、和其它活化劑共滲，滲氮速度有很大提高。