AISI?316L不銹鋼熱處理表面貧鉻分析與質(zhì)量控制

■ 王興偉，劉國志，赫慶坤，路東寧，時(shí)垌，江允楠，高翔，馬飛，謝鯤，孫金全

AISI 316L不銹鋼攪齒應(yīng)用于濕法造粒機(jī)中，通過快速均勻的攪拌使物料與添加劑、水等充分均勻的混合，并借助這種攪拌力形成了顆粒。這就要求攪齒具有一定的剛度，其表面具有較強(qiáng)耐磨性。采用表面滲氮技術(shù)可以有效地對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化，顯著提高表面耐磨性能，達(dá)到工件技術(shù)要求。但是其中一批攪齒在滲氮后有氧化現(xiàn)象，安裝時(shí)出現(xiàn)銹蝕跡象。為了找出攪齒失效的原因，從原材料、熱處理工藝、金相組織、顯微硬度等方面進(jìn)行了分析研究，探討了氧化生銹的原因和解決措施。

1. 技術(shù)要求和樣品描述

攪齒技術(shù)要求： AISI 316L不銹鋼攪齒其化學(xué)成分如附表所示。攪齒采用滲氮熱處理工藝，要求滲氮層深度≥0.03mm，表面硬度≥1000HV。

樣品描述：攪齒為長約100mm的圓棒狀，一端為螺紋區(qū)，另一端為工作區(qū)，也是主要的磨損區(qū)。原材料為固溶處理，經(jīng)滲氮處理取樣后發(fā)現(xiàn)表面有氧化現(xiàn)象（見圖1a），螺紋和光滑面交界處氧化尤為明顯。其表面硬度檢測結(jié)果為430HV0.05，使用過后有明顯的銹跡（見圖1b）。

2. 鈍化膜檢測分析

配制5%CuSO4溶液，將濾紙浸泡在溶液中3～5s，然后將濾紙壓在樣品表面，等待6min后揭下濾紙觀察到變?yōu)榧t色。原因是在樣品表面發(fā)生了置換反應(yīng)：

不銹鋼表面的自由態(tài)Fe將CuSO4溶液中的Cu置換出來。滲氮后會(huì)在表面形成氮化物，這些氮化物會(huì)隔絕自由態(tài)的Fe，阻礙置換反應(yīng)發(fā)生；正常不銹鋼Cr元素含量較高，在空氣中與氧反應(yīng)會(huì)生成一層致密的Cr2O3鈍化膜，這層鈍化膜也會(huì)阻礙置換反應(yīng)發(fā)生，由此可以確定其表面未形成一定厚度的氮化物，也未形成鈍化膜或鈍化膜不完整。

3. 微觀組織分析

圖1 攪齒實(shí)物

AISI316L不銹鋼攪齒化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

使用王水對(duì)不銹鋼進(jìn)行腐蝕，其結(jié)果如圖2所示。未發(fā)現(xiàn)滲氮層，結(jié)合其滲氮后表面氧化現(xiàn)象，事后氨氣成分檢測，發(fā)現(xiàn)其水分嚴(yán)重超標(biāo)。其原因是在加熱保溫過程中，氨氣中的水分先將攪齒表面氧化，形成氧化層，阻礙了氮原子的滲入，未達(dá)到強(qiáng)化效果。

對(duì)AISI 316L攪齒樣品剖面進(jìn)行EDS Cr元素線掃描分析（見圖3），結(jié)果表明攪齒表面Cr含量比基體材料要低，即表面存在貧鉻區(qū)，約17.33μm。不銹鋼之所以腐蝕性好就是因?yàn)槠浜珻r量高，既可以自然鈍化也可以人工鈍化。保證不銹鋼具有良好鈍化性能，最低Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.7%，Cr含量低于此值其鈍化性能性就會(huì)大大降低，耐蝕性也會(huì)隨之降低。AISI 316L攪齒表面未形成滲氮層和鈍化膜是導(dǎo)致攪齒在安裝過程中生銹的主要原因。

攪齒金相組織為奧氏體、鐵素體和碳化物顆粒，其中有大量的鐵素體-珠光體帶狀組織，這是主要是成分偏析和加工不當(dāng)造成的。成分偏析是鋼形成帶狀組織的根本原因，Mn、Cr、Ni等會(huì)使鐵素體析出溫度降低，增加奧氏體的穩(wěn)定性，在冷卻時(shí)鐵素體優(yōu)先在合金元素貧化帶析出，熱軋冷卻時(shí)碳原子擴(kuò)散充分，奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成珠光體組織，從而形成不銹鋼中的鐵素體-珠光體帶狀組織。帶狀組織是一種對(duì)材料性能有害的缺陷組織，會(huì)影響材料的組織、晶粒度以及成分均勻性，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡可能的避免。攪齒雖然經(jīng)過固溶處理，但是未能達(dá)到減少鐵素體含量和讓碳化物顆粒溶解，冷卻后形成單一的奧氏體相的目的，因此其固溶處理是不充分。

4. 滲氮驗(yàn)證試驗(yàn)

基于在熱處理過程中出現(xiàn)表面貧鉻，使用過程中出現(xiàn)生銹情況。對(duì)攪齒進(jìn)行補(bǔ)救措施試驗(yàn)即對(duì)樣品進(jìn)行再次滲氮，采用530℃×10h氣體滲氮，氨分解率30%～40%，檢測金相組織和顯微硬度（見圖4）。

滲氮樣品驗(yàn)證檢測可知，滲氮層出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表層為白亮色，次表層顏色偏黑（見圖4a）。其原因是表層單一的Fe的氮化物耐蝕性要比次表層Cr、Fe氮化物混合相要強(qiáng)，再者大量的帶狀組織會(huì)降低其耐蝕性，所以腐蝕后表面呈現(xiàn)白亮色，次表面偏黑色。說明樣品再次滲氮后其表面仍然存在貧鉻現(xiàn)象。硬度曲線（圖4b）表明其表面硬度明顯低于次表面（滲氮層）的硬度，滲氮層中Fe的氮化物硬度值要比次表層Cr的氮化物硬度值低，導(dǎo)致硬度曲線呈非梯度型。正常AISI 316L不銹鋼滲氮后表面硬度在1400HV0.05以上，且Cr的氮化物是提高表面硬度的主要原因，Cr含量不足，會(huì)使硬度值大大降低。再次滲氮的攪齒表面硬度值偏低，在使用前需要對(duì)其進(jìn)行機(jī)械磨削，除去表層貧鉻區(qū)17.33μm。

結(jié)合對(duì)攪齒金相、顯微硬度、電子探針和成分分析可知，工廠滲氮時(shí)因氨氣水分含量超標(biāo)，在加熱過程中形成氧化膜，阻礙了氮原子的滲入。同時(shí)，在加熱保溫過程中Cr原子向表層擴(kuò)散，導(dǎo)致表層Cr元素的流失，表面形成貧Cr層。沒有鈍化膜和滲氮層的不銹鋼在安裝使用過程中，受到大氣侵蝕在表面出現(xiàn)生銹現(xiàn)象。

圖2 樣品剖面電子探針圖

圖3 樣品剖面EDS Cr元素線掃描

圖4 滲氮驗(yàn)證試樣樣品

5. 結(jié)語

（1）原材料質(zhì)量控制，充分固溶處理，提高AISI 316L組織的均勻性。

（2）滲氮過程質(zhì)量控制，對(duì)氨氣進(jìn)行純化，控制氨氣中水分含量。

（3）失效攪齒補(bǔ)救措施，一種是對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械磨削，除去表層的貧鉻區(qū)，固溶后再次進(jìn)行滲氮處理；另一種方法是先充分固溶，使表面鉻均勻化，再進(jìn)行滲氮處理。

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