[发明专利]一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法

说明书

技术领域

本发明涉及化学热处理领域，具体涉及一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法。

背景技术

奥氏体不锈钢在不锈钢领域中占有极为重要的地位。由于奥氏体不锈钢优良的耐蚀性能、常温和低温塑韧性、无磁性、加工成型性及可焊接性而广泛用于阀门、石油管道、化工、车辆工程等领域。但是奥氏体不锈钢具有面心立方结构，表面硬度较低，在工程应用中容易产生表面接触疲劳或磨损破坏，极大地限制了奥氏体不锈钢的发展应用。因此，奥氏体不锈钢表面强化工艺的发展，是促进此类材料发展的关键。

为改善奥氏体不锈钢的表面硬度，国内外学者做了大量的研究探索工作。目前，用于不锈钢强化技术主要有表面沉积、离子注入、热喷涂以及表面化学热处理等。由于不锈钢表面容易形成致密的Cr₂O₃保护膜，表面沉积及离子注入方法均存在硬化层厚度很薄，覆盖不致密，与基体结合不牢固等问题。另外，这类方法虽然能在一定程度上提高不锈钢的表面硬度，但却严重的降低了其耐蚀性能。相对而言，表面化学热处理能通过优化工艺，在不降低耐蚀性能的情况下提高奥氏体不锈钢的表面硬度，是一种前景较为广阔的不锈钢硬化技术。

常用的奥氏体不锈钢硬化处理的表面化学热处理有：低温离子渗氮、固溶渗氮、低温离子碳氮共渗及低温离子渗碳技术。低温离子渗氮及碳氮共渗表面硬化层渗层薄，脆性大，不利于在表面应力较大的环境下工作。固溶渗氮由于处理温度高，处理过程中工件极易形变，不适于对尺寸精度要求较高的场合。低温辉光离子渗碳技术是一种利用高电压辉光放电电离气体以得到碳的等离子体，并在低于敏化温度下使碳元素扩散进入奥氏体不锈钢表面的渗碳工艺。奥氏体不锈钢经过低温辉光离子渗碳后，表面硬度显著提高，硬度梯度平缓，硬化层厚度均匀，且耐蚀性能不降低甚至有所改善。作为一种有着广泛前景的不锈钢硬化新工艺，低温离子渗碳技术已在欧美等发达国家引起了高度关注，设计开发了许多关于低温离子渗碳的新工艺新方法。总的来说，新型工艺和方法的提出，主要目的是解决三个问题：第一，怎样有效的去除不锈钢表面钝化膜而不影响后续渗碳；第二，由于低温环境下，碳在奥氏体中扩散较慢，怎样通过改变工艺参数提高生产效率；第三，怎样保证渗碳后的不锈钢兼具所需的渗层深度和良好的耐蚀性能。如渗碳前用氯化氢气体或盐酸清洗试样表面、活性屏离子渗碳、工件受拉状态下渗碳等。

发明内容

本发明的目的在于解决不锈钢去钝化膜问题，提供一种提高仪表阀门及管接件中奥氏体不锈钢部件硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高不锈钢表面硬度和耐蚀性的辉光离子渗碳法，包括以下步骤：

1)将表面洁净、干燥的不锈钢置于渗碳炉中的阴极盘上，渗碳炉内抽真空处理，并用高纯氢气清洗炉膛2-3次，清洗完成后，重新将渗碳炉内压力抽至50Pa以下；

2)在阴极盘和炉膛内壁之间施加直流脉冲高电压，并充入氩气使渗碳炉内的压力为100～200Pa，辉光放电去除不锈钢表面氧化膜；工件表面不允许存在打弧现象，辉光放电过程中，不锈钢温度也同时上升；

3)当不锈钢温度升至渗碳温度时，关闭氩气源，通入含碳还原性气体至渗碳炉内压力为300～450Pa进行渗碳，渗碳过程中的直流脉冲电压为650～800V，渗碳炉内气压为300～450Pa，渗碳温度为350～500℃，保温6～20小时，保温结束后关闭碳源，继续保持渗碳炉内气压和渗碳温度不变并维持2～4小时，完成后关闭电压输入，关闭气体；

4)将渗碳炉内剩余的气体抽出，并向炉膛内充入保护气体进行冷却；

5)将上述步骤4)得到的不锈钢浸入50～100℃的腐蚀溶液中，浸泡2～4h去除不锈钢表面因渗碳生成的不耐腐蚀层，所述腐蚀溶液由H₂SO₄、KMnO₄、H₃PO₄和H₂O按一定比例混合而成。

所述不锈钢为奥氏体不锈钢。

所述步骤3)，所述含碳还原性气体为氢气和甲烷的混合气。

所述氢气和甲烷的流量比为600:1～20。

所述步骤3)，渗碳后得到的不锈钢的渗碳层厚度为10～100μm。

所述步骤4)，所述保护气体为氮气。

所述步骤4)，当不锈钢冷却到200℃以下时，将不锈钢从渗碳炉内取出，自然冷却。