AISI304和AISI316奥氏体不锈钢气体渗碳腐蚀磨损性能分析

彭恩高，周阳宁，李 朋



AISI304和AISI316奥氏体不锈钢气体渗碳腐蚀磨损性能分析

彭恩高1，周阳宁1，李 朋2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉武钢华工激光大型装备有限公司，武汉 430223）

本文提出了低温气体渗碳工艺，通过对AISI304和AISI316进行低温气体渗碳处理，研究了这两种奥氏体不锈钢的低温渗碳组织性能，发现该工艺具有兼顾表面强度与耐蚀性能的特点。试验结果表明：在同一渗碳时间下，渗碳气体温度越高，不锈钢表面的硬度就越大，其耐磨性就越强，这证明不锈钢的耐磨性与其表面硬度的大小是成正比例。在同等试验条件下，AISI316可以获得比AISI304更优的综合性能。

奥氏体不锈钢 气体渗碳 渗碳组织 腐蚀 磨损形态

0 引言

奥氏体不锈钢在石油、化学、轻工、食品、医药等行业中应用广泛，典型零件如水泵、齿轮、管道、阀门阀座等。过滤器、管接头、球阀等化工行业领域流体件不但要有良好的耐蚀性能，而且需要一定的耐磨性能，从而保证其在反复的使用中不会因为磨损导致尺寸变小致使工件失效或是长时间的腐蚀造成化工液体滴、漏、跑等现象。常规化学热处理、热喷涂、表面沉积、离子注入等表面强化手段，容易引起耐蚀性下降、涂层剥落，或是工艺操作困难、强化效果差[1-2]。因此，突破奥氏体不锈钢表面强度提高伴随腐蚀性能下降的悖论，寻求抗磨损性能和耐腐蚀性能的最佳配合，是扩大奥氏体不锈钢应用的关键所在。

自20余年前人们发现固溶强化作用可以实现奥氏体不锈钢的耐蚀强化后，欧美等国家采用多种技术手段，开展低温化学热处理技术的应用研究，促进低温气体渗碳技术日趋成熟，其成套处理工艺已形成专利加以保护[3]。但是，在我国该技术仍属空白。最近10年，美国Swagelock公司、日本Airwater以及荷兰Kolsterising公司相继解决了低温气体渗碳工艺中关键难题，其中美国Swagelock公司和荷兰Kolsterising公司的研发技术已经非常成熟，并将其技术成功地应用于产业化生产，出于对产业的保护，研发技术及设备禁售中国。在缩短技术的时间差距，全面突破欧美技术垄断和贸易壁垒严峻形式下，为了有效地解决奥氏体不锈钢低温渗碳工艺的技术难题，达到既提高表面强度又提高耐蚀性的目的，实现两者兼而有之。在此基础上，本文采用低温渗碳工艺对AISI304和AISI316奥氏体不锈钢表面进行强化，进行相关试验研究。该工艺近年来发展迅速，并且不影响奥氏体不锈钢的耐蚀性能。

1 试验

1.1 试验设备

试验采用自主研发的低温气体渗碳炉作为渗碳设备，主要由气路和电路两个控制系统组成。气路控制渗碳气氛，电路控制加热温度及恒温保温时间。详见图5(a)、(b)、(c)所示。

图1 低温气体渗碳炉实物图

1.2 试验材料

AISI316和AISI304奥氏体不锈钢试样，尺寸20 mm×20 mm×3 mm，用砂纸打磨试样表面。试样化学组成见表1。试样入炉处理前，依次经过碱洗→清水去污→无水乙醇脱水→烘干等工序处理。

试验条件：真空度为1.33×105Pa，氮碳氢混合气工作气源N2:CO:H2=50%:(10-40%):10%，450～500℃，48 h。渗碳前预处理温度150~400℃，N2与Rx混合气体氛围，时间控制在1~4 h。采用低温气体渗碳对试样进行表面处理后，随炉冷却至室温取出样品。工艺参数见表2，工艺示意图见图2。

表1 试样材料化学成分（wt%）

图2低温气体渗碳工艺示意图

表2 AISI316和AISI304奥氏体不锈钢低温气体渗碳工艺参数

试验采用氯化铁盐酸试剂显示渗碳层金相组织，对试样采取重腐蚀并观察组织结构，区分硬化层组织与基体组织。利用XJX-1型金相显微镜进行金相组织观察，采用HXS-1000AK型显微硬度计测量硬度，使用XRD-6000 X-ray Diffractometer（日本岛津公司生产）分析渗层相结构。采用HXS-1000AK型数字硬度计（上海尚光显微镜有限公司生产）测量试样的维氏硬度，载荷25 g，加载时间10 s，采用Profiler HR型辉光发射光谱仪（GDOES）（Horiba Jobin Yvon公司生产）测试原子发射光谱，利用JSM-6510LV型扫面电子显微镜（SEM）（日本进口）观察和分析试样磨痕的表面形貌与微观组织，试样表面微区成分的定性和半定量分析是在INCAx-actSN57014型EDS（英国牛津公司）能谱仪上完成，试样的耐蚀性能检测在PARSTAT2273型电化学工作站上完成。

2 结果与讨论

2.1 金相硬度XRD分析

采用所选浸蚀剂对低温气体渗碳后的试样进行1~3 s的擦蚀，图3为AISI316和AISI304奥氏体不锈钢为经过450℃、470℃、480℃和500℃低温气体渗碳工艺处理的试样截面形貌照片。

图3 不同渗碳温度下AISI316 & AISI304奥氏体不锈钢渗层的金相显微组织

AISI316采用低温气体渗碳工艺处理，在经过450℃、470℃、480℃和500℃，渗碳48 h后的表面硬度分别达到700 HV25、800 HV25和1000 HV25，硬度以梯度的形式下降。经过450℃、470℃、480℃和500℃，依据相关标准[4-6]，渗碳48h后低温气体渗碳工艺处理的试样有效硬化层深度依次分别为15 μm、30 μm、38 μm和40 μm，经过32 h、72 h，渗碳温度470 ℃后试样有效硬化层深度分别为14 μm及45 μm。同样，AISI304经过450 ℃、470℃、480℃和500℃处理后表面硬度处于700~1100 HV25范围，有效硬化层分别为18 μm、21 μm、23 μm和25 μm，经过32 h、72 h及470℃后低温气体渗碳工艺处理的试样有效硬化层深度分别为4 μm、52 μm。见图4所示。

图5为AISI316和AISI304奥氏体不锈钢不同渗碳温度下渗层表面X射线衍射图谱。试验数据显示：AISI316经450℃和470℃处理后晶体结构保持不变，未生成新相。与基体组织相的(111)和(222)晶面衍射峰相比，渗碳处理后AISI316的γc相的渗层衍射峰变宽，逐步有偏移至低角度的趋势，过饱和的碳元素导致晶格畸变，使γ相的点阵常数增大明显，形成膨胀型奥氏体结构，即典型的γ相结构，也成为S相[6-7]。试验表明，在450℃和470℃下进行低温气体渗碳，可以获得具有单一γ相且无碳化物析出的渗碳层结构。480℃、500℃处理后的AISI316的衍射峰发生了变化，出现了含铬、铁的碳化物，使得AISI316的耐蚀性降低，详见腐蚀性分析。同理，AISI304经过450℃、470℃、480℃和500℃处理后的X射线衍射图谱和AISI316的变化趋势一致，是基于同样的原理。

(a1)(a2) (b1)(b2)

(a)(b)

当渗碳温度达到480 ℃、500 ℃，X射线衍射谱中有碳化物组织出现，如Cr23C6，Cr7C3，Fe3C等。这些含铬碳化物的出现解释了γ相已开始析出而导致分解的缘由，分解出的C原子和基体中的Cr原子结合生成Cr23C6和Cr7C3。含铬碳化物的析出导致不锈钢表面铬原子（自由）的含量降低，以致没有足够的Cr原子（贫铬区）来满足钝化需求[8-9]。在腐蚀环境中，缺乏足够的Cr原子的区域（贫铬区）易成为阳极，优先被溶解，导致耐腐蚀性能下降甚至不耐腐蚀，表层组织颜色暗黑，与图3中的金相组织相对应。

2.2 耐磨分析

图6是不同渗碳温度下低温气体渗碳工艺处理AISI316和AISI304奥氏体不锈钢和未处理试样的磨损率比较，得出低温气体渗碳处理前后的相关数据（见表3）。

图6 不同温度下AISI316和AISI304的磨损率比较

表3 五组试样的磨损率数据

SEM照片显示：经处理过的AISI316的磨损率比未处理的偏低，且处理过的AISI316和AISI304的磨损率随渗碳温度的升高而降低，占比约为原来的1/3~1/2。这意味着在一定温度范围内，随着渗碳温度的升高，AISI316和AISI304的磨损率逐渐降低，表明经低温渗碳工艺处理后不锈钢的耐磨性增强[7]。

2.3 耐蚀性分析

图7是在不同的渗碳温度下低温气体渗碳处理的和未处理的AISI316和AISI304的Tafel极化曲线，有关试验数据见表4。图中，点蚀电位取Tafel曲线阳极极化区电流密度为10 μA/cm2处对应的电位[10]。结果表明，AISI316和AISI304奥氏体不锈钢经过480℃、500℃和920℃渗碳处理后，自腐蚀电位下降显著，腐蚀电流增大为原来的10~100倍，且其Tafel曲线并未显示有阳极钝化区[11]。而经过450℃、470℃处理的试样，自腐蚀电位和腐蚀电流变化不明显，维钝电流略微有所降低，470℃处理的试样其点蚀电位略有下降。

图7不同处理的和未处理的AISI316和AISI304 Tafel极化曲线

表4 六组试样的Tafel曲线数据

奥氏体不锈钢的耐蚀性源自其合金元素中Cr/Ni配比满足Tammann定律，当w(Cr)>13%时不锈钢的耐蚀性能得到显著提升[12-13]。如果有含铬碳化物析出，则渗碳层中的铬含量必然减少，这会导致试样表层局部缺铬（贫铬区），降低AISI316和AISI304的耐蚀性能[14-15]。另外，由于析出的碳化物与奥氏体晶粒的电化学特性存在差异，容易形成电偶腐蚀环境，进一步削弱了渗碳层的耐蚀性能。这可以从电化学试验中500℃时试样耐蚀性下降的现象得到体现[13]。碳化物析出曲线表明，在同一渗碳时间下，渗碳温度越高则越容易形成碳化物。由此可以推测：480℃、500℃时试样中可能早已形成了碳化物，而碳化物的存在进一步削弱了不锈钢的耐蚀性能。而经过450℃、470℃处理的试样，其耐蚀性能基本与未处理的试样相当，故推断在该温度下无碳化物析出或碳化物出现很少，不造成耐蚀性能下降。

3 结论

1）在同一渗碳时间前提下，一定温度范围内，AISI304和AISI316的耐磨性与其表面硬度成正相关性。两种材料的表面硬度随渗碳温度升高而增大，耐磨性随渗碳温度升高而增强。

2）一定温度范围内，不同渗碳温度下，AISI304和AISI316的渗碳层厚度及表面硬度差异明显。在480℃、500℃渗碳，AISI304和AISI316的渗层深度与表面硬度均得到有效改善，但耐蚀性能有所降低（一定程度上）；而在450℃、470℃渗碳，AISI304和AISI316的渗层深度与表面硬度均得到有效改善，耐蚀性能并未显著降低。

3）在同等试验条件下，AISI316材料可以获得比AISI304综合性能更优良的渗碳层组织，具有较厚的渗碳层与较高的表面硬度。但AISI316渗碳层的耐磨性不及AISI304，而耐蚀性则较AISI304为优。

[1] D.Wu, Y.Ge, H.Kahn, et al. Diffusion profiles after nitrocarburizing austenitic stainless steel[J]. Surface & Coatings Technology, 2015, 279:180-185.

[2] Shinichiro Adachi, Nobuhiro Ueda. Surface hardness improvement of plasma-sprayed AISI 316L stainless steel coating by low-temperature plasma carburizing[J]. Advanced Powder Technology, 2013, 24:818-823.

[3] Sun Y. Kinetic of Low Temperature plasma carburizing of austenitic stainless steels[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 168(2):189-194.

[4] Z. X. Yuan, Z. S. Yu, P. Tan, S. H. Song. Effect of rare earths on the carburization of steel[J]. Materials Science and Engineering A, 1999, 267:162-166.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T9451-2005,钢件薄表面总硬化层深度或有效硬度层深度的测定[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

[6] 李炯辉主编. 金属材料金相图谱下册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[7] 邓宇, 余圣甫, 行舒乐, 等. 堆焊高合金钢碳氮合金化行为及高温耐磨性能[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）, 2013, 8（41）: 92-96.

[8] 马飞, 潘邻, 张良界, 等. 奥氏体不锈钢低温气体渗碳后的组织性能[J]. 材料保护, 2014, 47（增1）: 68-71.

[9] 刘伟, 赵程, 窦百香. 奥氏体不锈钢离子渗碳后的腐蚀行为[J]. 材料保护, 2009, 42（7）: 22-24.

[10] G.M.Michal, F.Ernst, H.Kahn, et.al. Carbon supersaturation due to paraequilibrium carburization: stainless steels with greatly improved mechanical properties[J]. Acta Materialia, 2006, 54(6): 1597–1606.

[11] 李朋, 潘邻, 张良界, 等. 奥氏体不锈钢低温气体渗碳的组织性能[J]. 中国表面工程, 2013, 26（2）: 97-101.

[12] 朱云峰, 潘邻, 张良界, 等. 不损害耐蚀性的奥氏体不锈钢渗碳强化技术研究进展[J].金属热处理, 2012, 42(7): 1-7.

[13] 国家质量技术监督局. GB/T17899-1999, 不锈钢点蚀电位测量方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 1999.

[14] 朱云峰, 潘邻, 张良界, 等. AISI316奥氏体不锈钢低温渗碳层的组织及耐蚀性[J]. 材料保护, 2013,46（5）:27-29.

[15] 马飞, 潘邻, 张良界, 等. 316奥氏体不锈钢低温气体渗碳层组织与强化性能[J]. 材料热处理学报, 2015, 36（6）: 216-221.

Corrosion and Wear Properties Analysis of Gas Carburizing for AISI304 & AISI316 Austenitic Stainless Steel

Peng Engao1, Zhou Yangning1, Li Peng2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Wisco-HG Laser Large Scale Equipment Co. Ltd., Wuhan 430223, China)

TG304

A

1003-4862（2017）04-0026-05

2016-10-27

彭恩高（1978-），男，工程师/博士。研究方向为机械结构设计。E-mail：863631723@qq.com.