316不锈钢气体渗氮工艺研究.pdfVIP

摘要

奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，但因含碳量较低，导致自身表面硬度低、

耐磨性能差，在重载荷等工况条件下常常容易发生表面失效导致使用寿命大大缩短。

表面渗氮技术可通过改变不锈钢表面结构来提高其表面硬度和改善耐磨性能，被广

泛应用于奥氏体不锈钢表面强化领域，奥氏体不锈钢表面渗氮技术主要有离子渗氮、

气体渗氮、盐浴渗氮三种。目前该领域研究工作主要集中于奥氏体不锈钢低温离子

渗氮工艺，该方面研究已较为充分，工艺较为成熟，但关于气体渗氮工艺的研究还

相对较少，气体渗氮具有设备工艺简单、试样变形小、渗氮层均匀等优点，因此对

奥氏体不锈钢气体渗氮工艺进行系统研究具有重要意义。

本文以316奥氏体不锈钢为实验材料，开展了气体渗氮工艺的系统研究，采用

真空管式炉进行气体渗氮，并利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、

X射线衍射仪（XRD）、显微维氏硬度计、电化学工作站等测试手段进行组织性能

表征，系统研究了气体渗氮工艺参数（温度、时间）、预处理工艺（固溶预处理、

预氧化处理）对316不锈钢渗氮层组织性能的影响规律，同时通过等时退火处理对

316不锈钢渗氮层的热稳定性能进行了探讨，为奥氏体不锈钢气体渗氮工艺优化及

应用奠定基础。

首先研究了气体渗氮温度参数（400~480℃）对316不锈钢渗氮层组织性能的影

响规律，结果表明：在相同渗氮时间（25h）下，渗氮层厚度随渗氮温度的升高逐

渐增加，且渗氮层物相结构也会发生改变。在400~420℃渗氮时，渗氮层较为均匀

致密，其中在420℃渗氮时，渗氮层厚度可达14.9μm，渗氮层物相为单一的γ-N相，

耐腐蚀性能均优于316不锈钢原始试样；在440~480℃渗氮时，渗氮层出现疏松脱落

现象，其中在480℃渗氮时，渗氮层厚度最高为79.4μm，但疏松程度最重，渗氮层

中单一的γ-N相发生分解析出CrN相和Fe的氮化物相，并随着渗氮温度的升高，分

解析出程度加重，耐腐蚀性能相比316不锈钢原始试样逐渐降低恶化。气体渗氮后，

表面硬度相比316不锈钢原始试样提高了2~5倍，且随着渗氮温度的升高，表面硬度

先升高后下降，其中在440℃渗氮时表面硬度最高可达1358.1HV0.1。摩擦磨损结果

表明，316不锈钢经气体渗氮后，磨损机制由严重的粘着磨损转变为磨粒磨损，表

面磨损体积量减少，耐磨性能得到显著改善。

随后研究了气体渗氮时间参数（25~30h）对316不锈钢渗氮层组织性能的影响

规律，结果表明：渗氮层厚度均随着渗氮时间的延长而逐渐增厚。在400℃下，随

着渗氮时间的延长，渗氮层物相结构始终为单一的γ-N相，渗氮层均匀致密，表面

硬度逐渐升高，耐腐蚀性能均优于316不锈钢原始试样；在440℃下，随着渗氮时间

的延长，渗氮层疏松程度逐渐加重，且CrN和Fe的氮化物长大粗化，其表面硬度呈

下降趋势，耐腐蚀性能相比316不锈钢原始试样逐渐降低恶化。

之后研究了固溶（1000~1100℃、1h）和预氧化（500~700℃、20min）两种预

处理工艺对316不锈钢渗氮层组织性能的影响规律，固溶预处理结果表明：在420℃、

25h渗氮时，渗氮层物相结构不会随着固溶温度的升高而发生改变，始终为单一的

γ-N相，但渗氮层厚度会随着固溶温度的升高而逐渐变薄，表面硬度随之下降，耐

腐蚀性能会有所提升，这是由于固溶预处理后，316不锈钢奥氏体晶粒随着固溶温

度的升高而长大，导致晶界面积减小，晶界密度降低，不利于活性氮原子的扩散。

预氧化处理结果表明：在400℃、25h渗氮时，随着预氧化温度的升高，渗氮层厚

度逐渐增加，表面硬度也随之升高，这是由于在500~700℃预氧化后，316不锈钢表

面逐渐形成了一层较为均匀的多孔氧化层，同时产生了多种氧化产物，对活性氮原

子的扩散具有促进作用，虽然渗氮层物相中出现了少量的CrN和Fe的氮化物，但基

于表面氧化层的保护作用，耐腐蚀性能并未表现出明显下降。

最后通过等时退火处理（450~490℃、4h）对316不锈钢渗氮层热稳定性能开

展研究，结果表明：经450℃等时退火后，渗氮层中开始沿晶界位置弥散析出CrN，

随着等时退火温度的升高，晶界和非晶界位置均析出了CrN,分解析出程度加重，

造成基体“贫铬”，导致耐腐蚀性能逐步降低，表面硬度也随之降低，故316不锈钢

渗氮层在实际使用过程中，工作温度不应高于其渗氮温度，否则因性能下降导致过

早失效。

关键词：316奥氏体不锈