浙江至德鋼業有限公司用正交實驗法研究了304不銹鋼管低溫離子滲碳工藝。結果表明，優化后的奧氏體不銹鋼管低溫離子滲碳工藝參數為滲碳溫度500℃、氬氣流量20ml/min、滲碳時間6小時。用優化工藝參數處理的奧氏體不銹鋼管表面可獲得單一的S相組織,硬度高達780HV0.05。

 奧氏體不銹鋼管憑借其優良的耐蝕性能被廣泛應用于石油、化工、醫療機械和食品機械等領域,但由于奧氏體不銹鋼管硬度低,耐磨性能差,采用奧氏體不銹鋼管制造的零部件,往往在耐磨性方面不能夠滿足使用要求,很大程度上限制了奧氏體不銹鋼管的應用。

 奧氏體不銹鋼管低溫離子表面硬化處理可以在不降低不銹鋼管耐蝕性能的前提下,大幅度提高其表面硬度和耐磨性。常用的奧氏體不銹鋼管低溫離子表面硬化處理的方法有離子滲氮、離子滲碳和離子氮碳共滲。其中離子滲碳的硬化層厚、韌性好、硬度梯度合理,處理效果優于離子滲氮和離子氮碳共滲。

本文采用丙烷作為滲碳氣體,并通過正交試驗檢驗低溫離子滲碳過程中影響滲碳效果的因素,如滲碳時間、滲碳溫度、丙烷與氫氣的比例、氬氣流量等,以優化奧氏體不銹鋼管低溫離子滲碳工藝參數,為該技術的推廣應用奠定基礎。

一、實驗方法

 1. 試驗材料與試驗裝置試樣

 材料為304不銹鋼管，尺寸為16mm*5mm。待處理試樣經砂紙打磨、拋光、丙酮清洗、烘干后進滲碳爐中進行滲碳處理。

 試驗是在自制的保溫式多功能離子化學熱處理設備中進行,設備的示意圖見圖。樣品臺接直流輝光放電電源的負極,電源的正極接在爐殼上,并與地相接。樣品臺與爐體底板之間有一層3mm厚的天然云母墊片,使樣品臺與爐體之間呈絕緣狀態。

 試樣置于樣品臺上,樣品臺上還放有一個同樣尺寸的模擬試樣,中間插入直徑為3mm的鎧裝熱電偶,用于測量并控制滲碳的溫度。

 2. 分析測試方法

 金相試樣采用50%HCL+25%HNO₃+25%H₂O腐蝕液刻蝕，在XJP6A型金相顯微鏡下觀察試樣的微觀組織，用HVS1000型顯微硬度計測量滲碳層橫截面的硬度分布，用D/max?A型X射線分析儀測定試樣的相結構組成。

 3. 離子滲碳工藝參數正交優化設計

  正交試驗選擇因素水平的標準正交試驗表,因素水平的選取和調配詳見表。以滲碳層的厚度J1和最高硬度J2作為評判指標。

二、試驗結果與討論

 1. 滲碳工藝參數對滲層硬度的影響

  以滲碳層的硬度為評判指標分析的數據結果見表，其中K1、K2、K3、K4分別為某因素各水平對應最高硬度。由表可知,第2列的極差最大,即因素B為影響滲碳層硬度的最主要因素;其次是因素A、D、C。由各因子直觀分析趨勢圖(圖2)可見,能獲得最高硬度滲碳層的工藝參數應該是A3、B3、C2、D2。在離子滲碳過程中,氫和氬對陰極(工件)表面同時具有濺射作用,由于氬原子質量大,可有效去除不銹鋼管表面的鈍化膜,使不銹鋼管表面產生大量的位錯,有利于活性碳原子的滲入。

 2. 滲碳工藝參數對滲層厚度的影響

 以滲碳層的厚度為評判指標分析的數據和直觀因子趨勢圖見表和圖。由表和圖可知，因素B是影響滲碳層厚度的最主要因素,溫度越高滲層越厚。影響滲碳層厚度的次要因素分別是A、D和C。由各因子直觀分析趨勢圖(圖3)可見,能獲得最厚滲碳層的工藝參數應該是A4、B4、C2、D2。根據表3和表4可知,對奧氏體不銹鋼管低溫離子滲碳效果影響最大的是因素A(滲碳時間)和因素B(滲碳溫度),相比之下因素C(C3H8:H2)和因素D(氬氣流量)的影響比較小。最能反映奧氏體不銹鋼管硬化層性能的指標應該是滲碳層的硬度,因此304奧氏體不銹鋼管低溫離子滲碳的最優工藝參數應為B3,A3,C2,D2,即滲碳溫度500、C3H8:H2=1:30、氬氣流量20ml/min、滲碳時間6小時。

 3. 滲碳層的組織與結構

 圖是用上述優化工藝參數處理的304不銹鋼管試樣的橫斷面金相照片。從照片上可以看出,采用優化工藝處理后的試樣表面獲得了一層厚的無碳化鉻析出的白亮硬化層。該白亮層為碳在奧氏體晶格中的過飽和固溶體(又稱Sc相)。由于Sc相是一種單相組織,使得硬化層比304不銹鋼管基體具有更好的耐蝕性能。圖是304不銹鋼管經優化工藝處理后的X射線衍射譜。從圖中可以看出,與未處理的試樣相比,用優化工藝處理的試樣和衍射峰位均向低角度偏移,無新相生成,呈現出典型的Sc相結構。由于滲層特有的Sc相結構,使得試樣表面硬度的顯著提高。

 4. 硬度測試

 圖是采用最佳滲碳工藝處理的試樣橫截面顯微硬度曲線。由圖可知,滲碳試樣的表面硬度比不銹鋼管基體硬度提高了2倍以上。這是由于碳原子固溶于奧氏體晶格內,產生固溶強化和應變強化,反映在相結構上為衍射峰的偏移。而且,與離子滲氮相比，離子滲碳得到的滲碳層的硬度梯度比較平緩，顯然這對改善滲碳層耐磨性能、減小脆性以及提高基材的承載能力是十分有利的。

 三、結論

 采用正交設計方法,合理選用影響因素和水平,可以獲得耐蝕性優良、韌性好、硬度梯度合理的硬化層。硬化層組織為性能優良的單相組織Sc相。采用正交優化試驗后的304不銹鋼管低溫離子滲碳工藝參數為:滲碳溫度500℃、氬氣流量20ml/min、滲碳時間6小時。