美国开发的LTCSS技术——保持奥氏体不锈钢耐蚀性的渗碳工艺
发布时间：2017-08-11 责任编辑：力源不锈钢网 来源：冶金信息
力源不锈钢网讯：奥氏体不锈钢具有良好的抗腐蚀性能，并具有良好的韧性、易加工性、焊接性及耐热性，但缺点是硬度、抗磨损性能、抗疲劳性能较低。对奥氏体不锈钢进行渗碳处理，是一种有效的表面强化方法，可惜常规渗碳工艺对奥氏体不锈钢耐蚀性能的损害很大。所以，开发一种不损害奥氏体不锈钢耐蚀性的渗碳处理方法，化解奥氏体不锈钢无法同时拥有良好的耐蚀性能和力学性能的窘境，就能极大地提高其应用范围。
不锈钢的耐蚀性能主要是因为钢中添加了一定浓度的Cr元素。一方面，Cr在铁基体中达到一定含量时可以使铁的电极电位获得一个跳跃式的升高；另一方面，Cr元素在不锈钢表面形成的一层致密的氧化膜，对环境中的腐蚀起到了屏蔽的作用。为什么常规渗碳处理会破坏奥氏体不锈钢的耐蚀性能？
这是因为在高温条件下，奥氏体不锈钢中的Cr原子容易与C原子结合，生成碳化铬并首先析出在渗碳层奥氏体晶界上，并形成网状分布。由于Cr原子半径较大，内部Cr很难扩散到表层贫Cr层，这样就造成了表面局部贫铬，不锈钢的致密Cr2O3氧化膜防护层也被破坏。
因此，在不损害奥氏体不锈钢耐蚀性能的条件下进行渗碳处理的前提，是保证碳化物不被析出。由于铬的碳化物是在高温范围的一定的温度区间形成的，因此，要避免碳化物的形成与析出，就必须在适当低的温度区间内进行渗碳。在这个温度条件下，由于C的原子半径较小，以间隙机制扩散，渗碳后C原子可以扩散到奥氏体不锈钢晶格内，形成固溶体；而Fe、Cr原子半径较大，只能以交换机制扩散，在没有足够扩散激活能的条件下，Fe、Cr原子无法移动。这样就保证了Cr的碳化物无法形成。铬的碳化物在550 ℃生成，所以奥氏体不锈钢低温渗碳处理将在低于550 ℃条件下进行，这样就可以在不损害不锈钢原有耐蚀性能的条件下提高其表面强度等性能。
美国Swagelok公司开发的LTCSS技术，目前已经成熟地投入使用。其主要工艺步骤如下：在处理前对奥氏体不锈钢表面做预处理，称为合金表面活化。该活化过程采用纯HCl与N2混合气体，在250 ℃下保温2 h。HCl能有效去除奥氏体不锈钢表面的氧化铬钝化膜组织，而添加N2的目的是为了在常压条件下，创造一个非氧化环境，从而保证基体中的铬原子不会再次被氧化，避免钝化膜重新生成。然后，通过470 ℃下20 h的渗碳过程，可以得到约70 μm深的硬化层。经过LTCSS工艺处理的316不锈钢与未处理的材料相比，性能有明显改善，表面硬度从原有的400 HV提高到1000 HV；疲劳极限从200 MPa提高到325 MPa；在抗腐蚀性能方面，在0. 6mol/L的NaCl溶液中，阳极点蚀电位从+140 mV提高到+990 mV。
不锈钢的耐蚀性能主要是因为钢中添加了一定浓度的Cr元素。一方面，Cr在铁基体中达到一定含量时可以使铁的电极电位获得一个跳跃式的升高；另一方面，Cr元素在不锈钢表面形成的一层致密的氧化膜，对环境中的腐蚀起到了屏蔽的作用。为什么常规渗碳处理会破坏奥氏体不锈钢的耐蚀性能？
这是因为在高温条件下，奥氏体不锈钢中的Cr原子容易与C原子结合，生成碳化铬并首先析出在渗碳层奥氏体晶界上，并形成网状分布。由于Cr原子半径较大，内部Cr很难扩散到表层贫Cr层，这样就造成了表面局部贫铬，不锈钢的致密Cr2O3氧化膜防护层也被破坏。
因此，在不损害奥氏体不锈钢耐蚀性能的条件下进行渗碳处理的前提，是保证碳化物不被析出。由于铬的碳化物是在高温范围的一定的温度区间形成的，因此，要避免碳化物的形成与析出，就必须在适当低的温度区间内进行渗碳。在这个温度条件下，由于C的原子半径较小，以间隙机制扩散，渗碳后C原子可以扩散到奥氏体不锈钢晶格内，形成固溶体；而Fe、Cr原子半径较大，只能以交换机制扩散，在没有足够扩散激活能的条件下，Fe、Cr原子无法移动。这样就保证了Cr的碳化物无法形成。铬的碳化物在550 ℃生成，所以奥氏体不锈钢低温渗碳处理将在低于550 ℃条件下进行，这样就可以在不损害不锈钢原有耐蚀性能的条件下提高其表面强度等性能。
美国Swagelok公司开发的LTCSS技术，目前已经成熟地投入使用。其主要工艺步骤如下：在处理前对奥氏体不锈钢表面做预处理，称为合金表面活化。该活化过程采用纯HCl与N2混合气体，在250 ℃下保温2 h。HCl能有效去除奥氏体不锈钢表面的氧化铬钝化膜组织，而添加N2的目的是为了在常压条件下，创造一个非氧化环境，从而保证基体中的铬原子不会再次被氧化，避免钝化膜重新生成。然后，通过470 ℃下20 h的渗碳过程，可以得到约70 μm深的硬化层。经过LTCSS工艺处理的316不锈钢与未处理的材料相比，性能有明显改善，表面硬度从原有的400 HV提高到1000 HV；疲劳极限从200 MPa提高到325 MPa；在抗腐蚀性能方面，在0. 6mol/L的NaCl溶液中，阳极点蚀电位从+140 mV提高到+990 mV。
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