深冷处理对1Cr18Ni9Ti不锈钢餐具耐腐蚀性的影响

林密，王为周，陆林森，顾开选，王俊杰

(1连云港远洋流体装卸设备有限公司，江苏连云港，222062;2中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室，北京，100190;3中国科学院研究生院，北京，100049)

0 前言

深冷处理是20世纪60年代末从普通冷处理(0℃～-100℃)的基础上发展起来的一项材料处理技术，它是指将材料至于特定的可控低温环境，按照一定的工艺进行降温、保温、升温的过程。其起源于100多年前，瑞士的钟表制造者将手表中的关键部件埋到阿尔卑斯雪山下保存一段时间，发现能够提高零件的尺寸稳定和和耐磨性从而提高零件使用寿命［1］。但直到20世纪中叶深冷处理技术一直未在工业中得到推广，1965年美国首次将深冷处理实用化以后，深冷处理技术才开始引起全世界的关注。

研究结果表明深冷处理能够有效提高金属材料的硬度［2，3］、耐磨性［4］、抗拉性能［5］以及尺寸稳定性［6，7］等性能。对于钢铁材料来说深冷处理的主要机理是残余奥氏体转变成马氏体;马氏体基体上析出大量超细碳化物颗粒;降低材料内部残余应力三个方面［8］。然而，对于奥氏体不锈钢的深冷处理来说，国内外的研究较少，尽管有学者研究了深冷处理对302不锈钢耐腐蚀性的影响，其通过盐雾试验法对耐腐蚀进行检测，但结果发现深冷处理前后耐腐蚀性没变化［9］。

文中主要针对1Cr18Ni9Ti不锈钢餐具在一些污染较严重的地方存在生锈的情况，通过采用深冷处理改善其耐腐蚀性，得到了与文献［9］完全不一样的结论，研究发现深冷处理后1Cr18Ni9Ti不锈钢耐腐蚀性得到很明显的改善。通过深冷处理改善不锈钢耐腐蚀性的研究是一个创新点，研究结果也表明深冷处理对于不锈钢耐腐蚀性的研究有着重要的使用价值和学术价值。

1 实验

实验采用某公司生产的1Cr18Ni9Ti不锈钢餐具作为研究对象，主要组成元素为铁+18%铬+8%镍。其中包括勺子6把，刀、叉各4把，同一类餐具均出自同一批次，把以上三种餐具平均分成两组，其中一组做深冷处理，另一组不做深冷处理，然后对两组餐具同时进行人造气氛盐雾试验，通过表面生锈情况来判断不锈钢餐具的耐腐蚀性。

深冷处理实验采用如图1所示的SLX-80程序控制深冷箱，该深冷箱以液氮作为制冷剂，液氮通过安装在箱体一侧的离心风机汽化以后和工件发生对流换热，从而降低工件的温度。该深冷箱能够根据设定工艺曲线进行自动控制，控温精度在±1℃以内［10］。实现温度控制的主要目的是为了避免由于降温速率过快对工件造成冷冲击从而使材料内部应力集中，严重时可能出现脆断。此外，降温速率、保温时间以及最低处理温度等工艺参数对深冷处理的效果都有着直接的影响［8］。因此，综合考虑个参数的影响，实验制定了如图2所示的深冷处理工艺，其中升降温速率均为2℃/min。

图1 本实验采用的深冷箱

图2 深冷处理工艺曲线

盐雾腐蚀试验采用YWX/Q－150盐雾腐蚀试验箱进行，其中盐雾腐蚀液采用浓度为50 g/L的盐水溶液加草酸配制而成，PH值为3，工作室温度为35℃，喷雾采用间歇式喷雾，间歇时间为30 s，压缩空气压力为0.2 MPa，试样与垂直方向成45°角倾斜放置，如图3所示。盐雾腐蚀试验总运行时间为192 h，实验结束后取出并观察生锈情况。

图3 盐雾喷射腐蚀实验

2 实验结果及分析

经过192 h盐雾腐蚀以后，部分餐具可以明显的看到锈斑，如图4所示，经过对比发现，深冷处理前的不锈钢餐刀出现了较多的锈斑图4(a)，而深冷处理后的餐刀锈斑远远少于深冷处理前的，说明深冷处理能够显著提高不锈钢餐刀的耐腐蚀性图4(b)。此外，深冷处理前的叉子也出现了明显的锈斑图5(a)，而深冷处理后的叉子未出现生锈现象图5(b)，勺子深冷处理前后盐雾腐蚀效果不明显，这是由于腐蚀时间不够长，因此未能使勺子出现明显的锈迹，如图6所示。

图4 餐刀表面腐蚀情况

图5 餐叉表面腐蚀情况

图6 餐叉表面腐蚀情况

不锈钢是铬和铬镍合金含量较高的合金钢，影响不锈钢耐腐蚀性的主要因素有材料的化学成分、组织、内应力以及其所处的环境介质。铬是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素，奥氏体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得主要是由于铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果。在氧化介质中，铬能使不锈钢表面迅速生成非常致密、稳定的钝化膜，这层膜被破坏后也能迅速修复，由此有效提高了材料的耐腐蚀。

深冷处理过程中，由于过冷度的存在使得晶格收缩，从而晶格间的吉布斯自由能降低，耐腐蚀性则会得到提高。此外，深冷处理过程中析出的弥散碳化物颗粒也会是不锈钢的耐腐蚀性增加。有研究表明，深冷处理过程中所形成的碳化铬对耐腐蚀性的提高有一定的贡献［11］。深冷处理能够使材料内部的缺陷发生塑性流变，降低材料内部的残余应力，这在一定程度上能够提高材料抗应力腐蚀的能力。

3 结论

深冷处理能够有效改善1Cr18Ni9Ti不锈钢餐具的耐腐蚀性，通过盐雾腐蚀试验能够很明显的看到深冷处理后餐具生锈减少，初步分析这主要是由于以下几方面的原因所致：

1)深冷处理降低了奥氏体组织晶格间的吉布斯自由能，从而提高了耐腐蚀性;

2)深冷处理析出了部分弥散碳化物颗粒以及在基体表面形成了一些碳和铬的化合物以致于提高了耐腐蚀性;

3)深冷处理降低或消除了材料内部的缺陷和应力，从而提高耐腐蚀性。

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