一种用于高氮不锈钢的表面处理方法 |
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| 申请号 | CN202311712403.4 | 申请日 | 2023-12-13 | 公开(公告)号 | CN117965855A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 钢铁研究总院有限公司; | 发明人 | 王存宇; 李菁菁; 俞峰; 徐海峰; 王辉; 曹文全; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于高氮不锈 钢 的 表面处理 方法，属于金属表面处理技术领域，解决了 现有技术 中高氮 马 氏体 不锈钢 表面耐蚀性不足，尤其是在盐雾环境下耐蚀性不足的问题。本发明公开了一种用于高氮不锈钢的表面处理方法，具体包括以下步骤：将高氮不锈钢零件在可控 氧 化气氛中进行 热处理 ；将热处理后的高氮不锈钢零件冷却至室温；将冷却后的高氮不锈钢零件进行 深冷处理 ；将深冷处理后的高氮不锈钢零件进行回火处理，得到高盐雾耐蚀性的高氮不锈钢零件。经过所述表面处理方法处理后的高氮不锈钢， 合金 钢表面C含量显著降低，在盐雾环境下的耐蚀性显著提高，有助于扩大高氮不锈钢的应用场景和提高其使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于高氮不锈钢的表面处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种用于高氮不锈钢的表面处理方法技术领域背景技术[0002] 高氮马氏体不锈钢是含氮量高于0.08％的不锈钢，在淬火处理后能够获得马氏体为主的微观组织，具有较高的硬度和耐蚀性。为了增加氮元素的固溶度，高氮马氏体不锈钢通常含有较高的Cr元素，为了保证钢的硬度，钢中还要含有一定的碳元素，淬火+低温回火处理后钢的硬度可达到HRC58以上，主要用于轴承、丝杠、蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械、模具等耐蚀环境中服役的器件。在相同的硬度情况下，加入氮元素可降低碳元素的加入量，不仅避免了粗大共晶碳化物的生成，还能够改善钢的耐蚀性。经过多年的发展，形成了系列高氮马氏体不锈钢，典型牌号如30Cr15Mo1N(X30N)、40Cr15Mo2VN(X40N)、60Cr15MoN(X60N)、9Cr18MoN(X90N)等。 [0003] 高耐蚀性是高氮马氏体不锈钢的重要特征，然而在生产实践中发现热处理或机加工表面处理不当时，将显著降低钢的耐蚀性(尤其是钢表面的耐蚀性)。如回火温度偏高时大量碳化物析出造成贫Cr，导致耐蚀性降低；热处理环境不当，导致不锈钢表面脱N也会造成耐蚀性下降。 [0004] 目前，高氮马氏体不锈钢表面耐蚀性不足，尤其是在盐雾环境下的表面耐蚀性不足的问题日益突出，导致钢材使用寿命下降，严重限制了高氮马氏体不锈钢的应用场景，尤其是各类海水环境中运行的航行器及零部件。 发明内容[0005] 鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于高氮不锈钢的表面处理方法，尤其是一种提高高氮不锈钢盐雾耐蚀性能的表面处理方法用以解决现有高氮不锈钢表面盐雾耐蚀性能不良的问题。 [0006] 本发明公开了一种用于高氮不锈钢的表面处理方法，具体包括以下步骤： [0008] S2：将热处理后的高氮不锈钢零件冷却至室温； [0009] S3：将冷却后的高氮不锈钢零件进行深冷处理； [0010] S4：将深冷处理后的高氮不锈钢零件进行回火处理，得到高盐雾耐蚀性的高氮不锈钢零件。 [0011] 具体的，所述高氮不锈钢的具体成分按质量计为：Cr≥12％，N≥0.1％，C≥0.2％，Mo≥0.5％，余量为Fe以及少量的其他元素和不可避免的杂质。 [0012] 具体的，步骤S1所述可控氧化气氛的气体为空气、氧气、二氧化碳等氧化性气体中的一种或者多种。 [0013] 具体的，步骤S1所述热处理的温度为1000～1050℃，处理时间为20分钟～2小时。 [0014] 具体的，步骤S2所述冷却操作的冷却速率为：零件温度为300℃以上时，冷速≥0.5℃/s。 [0015] 具体的，步骤S3所述深冷处理的具体参数为，深冷温度为‑196～‑40℃，处理时间为0.5小时～4小时。 [0016] 具体的，步骤S4所述回火处理的具体参数为，回火温度为150～500℃，处理时间为0.5小时～6小时。 [0018] 具体的，所述高氮不锈钢的微观组织主要形态为马氏体。 [0019] 本发明还公开了一种高盐雾耐蚀性的高氮不锈钢零件，所述高氮不锈钢零件采用上述的表面处理方法进行了表面处理。 [0020] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一： [0021] 1、提高了高氮不锈钢表面耐蚀性，尤其是盐雾耐蚀性。本发明所提供的方法，通过在氧化性气氛中加热操作，改变了不锈钢表面的组分和微观形态，材料表面的碳元素与氧结合产生了脱碳，由于氮元素处于过饱和状态，在表面脱碳后芯部的氮元素向表面扩散，从而提高了表面氮元素含量，降低了碳元素含量和碳化物析出的比例，基于固溶铬元素和氮元素提升耐蚀性的机理，经表面处理后增强了高氮不锈钢耐蚀性能；通过冷却实现获得马氏体基体组织，保证了高氮马氏体不锈钢的强度水平，由于高氮钢中的合金元素含量较高，淬透性好，在缓慢冷速下能够获得马氏体组织，故对冷却速度要求为在马氏体转变起始点(MS)以上快速冷却不生成铁素体珠光体及网状碳化物，对于MS以下的冷却不做限定。通过深冷处理将残留奥氏体继续转变成马氏体，有助于硬度的进一步提升，以及减少零件使用过程中的变形；通过回火处理，减小了淬火组织应力的作用，同时利用碳氮化物析出调控钢的力学性能。示例性的，如图3所示，实施例1制备的不锈钢板材，在5％ NaCl溶液，35℃盐雾环境下(pH值为6.5～7.2)，24h喷盐雾和24h干燥交替进行192h后，未发生明显腐蚀，具有良好的盐雾耐蚀性。 [0022] 2、工艺流程简单，无需额外添加其他材料，工艺条件相对温和，成本可控，安全性好。本发明所提供的表面处理方法，主要通过加热、冷却等工艺过程即可实现，无需添加其他材料或定制专用设备；且工艺条件相对温和，成本可控，适用于大批量高氮不锈钢的表面防腐处理。 [0023] 本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。 附图说明[0024] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。 [0025] 图1表面处理后不同深度的C、N含量图； [0026] 图2化学相分析法定量表征脱碳层析出相中元素含量； [0027] 图3为实施例1的盐雾腐蚀后表面形貌； [0028] 图4为实施例2(表面磨掉0.1mm)的盐雾腐蚀后表面形貌； [0029] 图5为实施例3(表面磨掉0.2mm)的盐雾腐蚀后表面形貌； [0030] 图6为实施例4(表面磨掉0.4mm)的盐雾腐蚀后表面形貌； [0031] 图7为对比例1(表面磨掉1.0mm)的盐雾腐蚀后表面形貌； [0032] 图8为表面处理方法的工艺流程图。 具体实施方式[0033] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。 [0034] 本发明公开了一种用于高氮不锈钢的表面处理方法，具体包括以下步骤： [0035] S1：将高氮不锈钢零件在可控氧化气氛中进行热处理； [0036] S2：将热处理后的高氮不锈钢零件冷却至室温； [0037] S3：将冷却后的高氮不锈钢零件进行深冷处理； [0038] S4：将深冷处理后的高氮不锈钢零件进行回火处理，得到高盐雾耐蚀性的高氮不锈钢零件。 [0039] 具体的，步骤S1中在氧化性气氛中加热，高氮不锈钢表面的碳元素与氧结合产生了脱碳，由于氮元素处于过饱和状态，在表面脱碳后芯部的氮元素向表面扩散，从而提高了表面氮元素含量，降低了碳元素含量和碳化物析出的比例，基于固溶铬元素和氮元素提升耐蚀性的机理，经表面处理后增强了高氮不锈钢耐蚀性能。 [0040] 具体的，步骤S2中冷却过程使奥氏体组织转变为马氏体，获得高强度，该过程应保证冷却速度避免铁素体珠光体等平衡态组织的产生，同时还应避免网状碳化物的产生。冷却后不可避免产生残留奥氏体，需要利用后续的深冷处理来进一步转变。 [0041] 具体的，步骤S3中马氏体转变为变温相变，深冷过程中未转变的奥氏体发生马氏体相变，进一步降低不锈钢中残留奥氏体含量，提高马氏体组织比例，保证钢的硬度。 [0042] 具体的，步骤S4中回火处理过程中减小了钢中的应力，同时析出碳氮化物，进一步调控了钢的组织和性能。 [0043] 具体的，所述高氮不锈钢的具体成分按质量计为：Cr≥12％，N≥0.1％，C≥0.2％，Mo≥0.5％，余量为Fe以及少量的其他元素和不可避免的杂质。 [0044] 高氮不锈钢中需要加一定比例的入氮元素，钢中的铬元素的存在将提高氮在钢中的固溶度，因此高氮钢为了保证氮元素的含量，通常加入较多的铬元素。本发明所公开的表面处理方法主要针对这三种元素的表面含量和存在形态进行调控，进而实现高氮不锈钢表面耐蚀性能的提升。 [0045] 具体的，步骤S1所述可控氧化气氛的气体为空气、氧气、二氧化碳等氧化性气体中的一种或者多种。加热过程中，C原子扩散到钢材表面，与炉内的气体分子O2、CO2、H2O(水蒸气为空气或氧化性气体中夹带，一般不需要额外添加)等发生化学反应，从而离开钢材内部到炉内气体中，造成了材料表面C元素的减少。由于N元素在钢中处于过饱和状态，N元素与C元素同族具有类似的性质，钢表面C元素的减少，导致钢芯部的氮元素向表面扩散，补充C元素的空位，从而造成表面N元素的升高，表面固溶氮元素是大量存在，提高了钢的耐蚀性。 [0046] 具体的，步骤S1所述热处理的温度为1000～1050℃，处理时间为20分钟～2小时。温度过低则钢中的碳化物不能有效回溶，降低钢的淬透性，以及固溶Cr和N元素含量，钢的硬度偏低。加热温度过高时容易造成钢的晶粒过分长大，同时引起残留奥氏体量过大，降低钢的使用性能。处理时间根据样品大小而定，一般来说处理时间为20分钟～2小时为宜。 [0047] 具体的，步骤S2所述冷却操作可采用风冷(空冷)、水冷、油冷等方式，冷却速率为零件温度为300℃以上时，冷速≥0.5℃/s。冷却速度过慢容易导致产生网状碳化物或铁素体珠光体等平衡态组织；在实际实施中，冷速也不宜无限制提高，冷却速度过快，增加淬火应力，可能会造成高氮不锈钢淬火裂纹(采用常规水冷、油冷、风冷等方式，一般不会导致该现象发生，采用某些急速制冷技术或设备时偶有发生)。 [0048] 具体的，步骤S3所述深冷处理的具体参数为，深冷温度为‑196～‑40℃，处理时间为0.5小时～4小时。高氮马氏体不锈钢的马氏体转变为变温相变，在马氏体相变终了温度(Mf)以上随温度的降低，奥氏体量逐渐降低而马氏体相的量逐渐增加，深冷温度过高不能完成马氏体转变，而深冷温度过低造成处理成本的增加。 [0049] 具体的，步骤S4所述回火处理的具体参数为，回火温度为150～500℃，例如160℃、200℃、270℃、350℃、410℃、490℃，处理时间为0.5小时～6小时，例如1小时、2小时、3小时、 5小时。回火温度过低不能有效降低钢中应力，回火温度过高则钢的强度降低影响材料使用。 [0050] 优选的，经过上述处理方法处理后的高氮不锈钢零件，零件表面碳含量可降低至原始/材料主体碳含量的50％以下；零件表面氮含量与原始/材料主体氮含量持平或稍有增加(约5～10％)。 [0051] 具体的，所述盐雾耐蚀性是指在NaCl溶液为基础的中性或酸性腐蚀环境下的耐腐蚀能力。 [0052] 盐雾试验方法执行GJB 150.11A‑2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分:盐雾试验》标准，在5％ NaCl溶液，35℃盐雾环境下(pH值为6.5～7.2)，24h喷盐雾和24h干燥交替进行192h。以此模拟金属表面在大气中的氯化物腐蚀行为，氯离子可以穿透金属表面的钝化膜，使金属材料表面产生腐蚀。对于高氮不锈钢来说，在盐雾环境下，不锈钢表面的Cr元素与C、N形成析出相，使得析出相周围基体出现贫铬区，芯部较表面析出相数量增加，使得芯部抵抗Cl离子能力下降，表面钝化膜被破坏，出现点蚀，耐盐雾腐蚀性能下降。 [0053] 经本发明公开的表面处理方法进行高氮不锈钢表面脱碳后，Cr2N和M23C6析出相数量显著减少，碳氮化物与基体之间形成的原电池数目减少，耐盐雾腐蚀性能显著提高。 [0054] 具体的，所述高氮不锈钢的微观组织主要形态为马氏体，保证了不锈钢的强度。 [0055] 本发明还公开了一种高盐雾耐蚀性的高氮不锈钢零件，所述高氮不锈钢零件采用上述的表面处理方法进行了表面处理。 [0056] 所述处理后的零件可以实现在(5±0.5)％中性NaCl溶液连续盐雾条件下，96小时无明显表面腐蚀发生。 [0057] 实施例及对比例采用30Cr15Mo1N钢(其含碳量为0.3％、含氮量为0.4％)为例： [0058] S1：将上述不锈钢板材(已切割成合适大小)在1030℃的空气炉中加热1小时； [0059] S2：将热处理后的不锈钢板材水冷到室温； [0060] S3：将冷却后的板材进行‑73℃×1小时的深冷处理； [0061] S4：最后对深冷处理后的板材进行160℃×2h的回火处理。 [0062] 将上述处理后的板材进行剥层处理(用磨床加工掉表面不同深度)并编号，如表1所示： [0063] 表1实验组编号及表面剥层深度 [0064]实验组编号 表面剥层深度/mm 实施例1 0 实施例2 0.1 实施例3 0.2 实施例4 0.4 对比例1 1.0 [0065] 如图1所示，当剥层深度达到0.6mm以上时，不锈钢内部组成已无明显变化，即相当于未进行防腐处理，稳妥起见，本发明选取表面剥层深度为1.0mm的不锈钢作为对比例1。 [0066] 热处理后采用剥层法测量了表面C和N元素含量，结果如图1所示不锈钢表面出现的脱C和增N的现象；各实验组的具体C、N含量如表2所示。 [0067] 表2各实验组的具体C、N含量 [0068] 实验组编号 C含量/wt.％ N含量/wt.％实施例1 0.13 0.36 实施例2 0.13 0.36 实施例3 0.16 0.36 实施例4 0.29 0.34 对比例1 0.3 0.34 [0069] 用相分析的方法测试了析出的Cr含量，如图2所示，随着距离表面深度增加，析出相中Cr元素的量逐渐增加。 [0070] 对各实验组(实施例1～4及对比例1)进行盐雾腐蚀试验，试验条件为(5±0.5)％中性NaCl溶液连续盐雾，pH范围为6.5～7.2，箱体温度控制在(35±1)℃，每24h干湿交替，总时长96h。 [0071] 试验后各实验组腐蚀情况如图3～图7所示，实施例1～4为表面不同程度脱C的样品，其表面N含量增加，Cr元素析出量较低，盐雾腐蚀试验没有发生明显腐蚀现象(如图3～6所示)； [0072] 对比例1为没有表面脱C的样品，表面在盐雾腐蚀试验后发生了腐蚀现象(如图7所示)。 |
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