摘 要：奥氏体不锈钢低温渗碳工艺技术的日趋成熟，其正被越来越多的应用到工业领域。首先揭示了生产试验过程中焊接热对316不锈钢表面渗碳层的硬度影响，设计并开展了一系列重复性的验证试验，给出温度对低温渗碳层的硬度和耐腐蚀影响。结果显示，高温能显著降低渗碳层的硬度和耐磨性。通过分析低温渗碳层的结构特性及其形成机理，给出了316l奥氏体不锈钢低温渗碳涂层的合理应用温度应低于350度。
　　关键词：不锈钢；低温渗碳；硬度
　　1 介绍
　　不锈钢表面强化技术是指运用物理、化学或物理化学等技术手段来改变“不锈钢及其制作表面成分和组织结构”。其特点是保持不锈钢基体材料的固有特征，又赋予表面所要求的各种强度、耐热性，耐磨损和耐腐蚀性能等，从而适应各种技术和各种服役环境对不锈钢的特殊要求。其最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，从而获得最大的经济效益，因而不锈钢表面强化是当今世界高技术前沿的关键技术，具有广泛的应用前景。
　　然而，传统的奥氏体不锈钢渗碳通常是指在高至1010℃的温度情况下进行的，这个温度使得铬碳化合物在渗碳体表面大量的迅速析出。也就是说，提高钢的表面硬度（高至750hv）是以碳化物析出为代价的。碳化物的析出使得奥氏体中的铬元素含量大大地降低了，而不锈钢防锈属性正是由铬元素决定的。因此，高温渗碳在提高不锈钢表面强度的同时，也大大地降低了不锈钢的防锈性，由此也丧失了奥氏体不锈钢最大的优点。
　　如何解决不锈钢的高耐磨性和耐腐蚀性一致的问题一直是生产中的难题。Www.11665.CoM在研究利用气态渗碳强化不锈钢表面硬度领域，国外近年来已经取得了很大的成果，并已实现工业化[1，2]。不久前，一家名为swagelok的公司已成功利用气体渗碳法为奥氏体不锈钢开发了一种低温渗碳技术。通常，奥氏体不锈钢低温渗碳处理是指在低于550度的温度下进行的渗碳热处理。不锈钢低温渗碳作为一种新技术越来越受到重视，并且正在多个行业推广和应用[3-7]。目前，全球有三项与奥氏体低温渗碳相关的专利技术在使用，分别是日本air water公司 的nv pionite，美国的swagelok公司的低温超饱和渗碳技术和欧洲bodycote公司的kolsterising。pionite 技术采用的方法在低于500度下，用co和氢气的混合气体作为介质对材料进行渗碳。swagelok公司研究一种盐浴和低温超饱和技术在低于537度的温度下进行渗碳。
　　以316l不锈钢为代表的不锈钢因其优良的耐腐蚀性广泛用作石油、钢铁、汽车、造纸、化工等领域的关键零部件。但由于其表面硬度较低，极易磨损失效。随着奥氏体不锈钢表面低温涂层工艺的成熟，其潜在可被用在多个工业应用领域。焊接作为一种有效的联接工艺也被应用到与涂层相关的各种零部件的加工中。但是，随之产生的问题需要引起重视。比如，焊接裂纹，表面硬化过后的零件受热影响导致耐磨性降低等。本文针对焊接热对316不锈钢表面渗碳层的硬度及耐腐蚀性的影响进行研究，从实践和理论进行说明，给出了这种涂层 的合理应用条件。
　　2 试验方法
　　本次实验我们是以316l不锈钢作为研究对象，样品的尺寸为8mm直径30mm长的轴销。表1列出了该材料的主要化学成分。试验用的原始退火态316原材料的基体硬度为180～200hv.
　　表面低温渗碳处理委托第三方公司按照指定的渗层深度（20～25um）和硬度（>400hv）的设计要求完成。在实施表面低温渗碳工艺之前，需要进行严密的表面处理。在不锈钢制件的成型过程中，表面都有可能粘上油污、存在毛刺、形成粗糙表面和氧化物，因而在表面处理前，首先必须把油污、毛刺、不平表面和氧化物除去，才能使后续加工获得满意的效果。预处理的步骤[8]主要包括，（1）表面研磨。（2）除油。目的是除净表面油污。实验中，采取化学法除油，先用清水擦洗，后应用10% naoh溶液除油，后放入装有丙酮的烧杯中（丙酮溶液为有机溶剂，可溶解油脂），用超声波进行清洗。（3）酸洗。目的是除去表面的氧化皮。（4）弱腐蚀。目的是活化待处理表面，除去表面钝化膜，露出基体组织。
　　焊接工艺采用传统的tig焊接，焊接结构和试验装置如图1和2所示。试验中用到了bf51800型高温热处理炉，以重现温度对涂层的性能影响。试验温度从250度到550度，每间隔50度选择一个温度点，保温5分钟。
　　硬度计试验选用fm

-700型显微维氏硬度计，根据astm e-384-06执行。耐腐蚀性试验在dctc600p盐雾试验箱中，依据astm b117标准执行144小时5%nacl水溶液的盐雾试验。通过观察试样表面的红锈来评估耐腐蚀性，试样包括原始渗层状态及热处理后的渗层状态。
　　3 试验结果及分析
　　为了保证所有的低温渗碳样品符合设计要求，随机抽取了14件样品进行表面显微硬度和渗层厚度测试。渗层的厚度在20～30微米之间。显微维氏硬度是在距离涂层表面10微米处用50克的载荷进行测试获得。原始数据如表2所示。根据minitab数理软件分析，结果表明该组样品的硬度平均值在 95%的置信水平下会落在438～480 hv0.05区间。
　　根据事先制订的焊接工艺参数，对150件样品进行试制。随机抽取12件进行了焊接质量检查，项目包括焊接深度，根部裂纹及外观变色检查。测试结果表明焊接深度能满足最低1mm 的要求。根部有可接受的小于50微米的短裂纹。外观无明显退色。焊接剖面的结构示意图如图3所示。
　　在对焊接后样品的工作部位进行硬度抽检，12件样品的测试结果如表4所示。根据minitab数理软件分析，结果表明该组样品的硬度平均值在95%的置信水平下会落在356～396 hv0.05区间。与焊接之前相比，样品低温渗碳层表面的硬度有显著下降。
　　为了验证热影响区的温度对渗层质量的影响，模拟进行如下试验，分别在250，300，350，400，450，500和550度，每个温度点重复2件样品，保温5分钟。在对热处理后样品的工作部位进行硬度抽检，14件样品的测试结果如表5所示。根据minitab数理软件工具，将经过 400，450，500和550度短时热处理过的样品硬度值进行统计分析，发现样本总体的平均值在95%的置信水平下会落在 390～407 hv0.05区间。与热处理之前的相比438～480 hv0.05，样品低温渗碳层表面的硬度有显著下降。但是，将经过250，300度短时热处理过的样品硬度值进行分析，发现样本总体的平均值的95%置信水平下分别会落在425～479，438～500 hv0.05，与热处理之前的硬度值没有显著差异。在350度下，样品的硬度平均值95%置信水平下分别会落在395～433 hv0.05。据此推断，在高于350度的热影响下，热对 奥氏体不锈钢低温渗碳层的影响是显著的，能显著降低渗碳层的硬度，从而降低该涂层的耐磨性。 将一件原始渗层状态和一件热处理态（400c+5min）样品放入盐雾试验箱中进行测试，根据外观结果观察显示，经过400c后的，样品的工作表面依然能保持良好的耐腐蚀性。
　　通常，奥氏体不锈钢低温渗碳处理在低于550度的温度下进行的渗碳热处理。这是因为cr的碳化物生成温度为550度，而氮化物的生成温度为 450度[9，10]。从该低温渗碳处理后渗层的微观结构来说，低温渗层是以间隙溶解的固溶体硬化技术为主，不同于传统的高温渗碳技术形成铬的碳化物。碳化铬的形成会牺牲不锈钢的耐腐蚀性。显然，只有通过控制渗层的使用温度，才能防止降低耐腐蚀性的碳化铬的形成。铬及溶解于晶格中的碳同时存在意味着被处理的工件不能在接近敏感区的范围内加热。因此，为了保证渗层的工作区域不受焊接热的影响，需要保证热影响温度不得超过350度。
　　4 结束语
　　通过对不锈钢低温渗碳涂层的理论和实验研究结果表明，在高于350度的热影响下，热对奥氏体不锈钢低温渗碳层的硬度影响是显著的，能显著降低渗碳层的硬度，从而降低该涂层的耐磨性。同时，当使用温度低于400度时，奥氏体不锈钢低温渗碳层的耐腐蚀性却没有明显变化。因此，为了保证耐磨性和耐腐蚀性，316l奥氏体不锈钢低温渗碳涂层 的合理应用温度应不高于350度。
　　参考文献
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　　[7]frank ernst， dingqiang li， harold kahn， gary m michal， arthur h heuer，“the carbide m7c3 in low-temperature-carburized austenitic stainless steel” acta materialia inc.， 2011 vol.59，issue： 6， pages：2268-2276.
　　[8]曹经倩，刘炳根，周雅.焊接不锈钢的电化学抛光[j].材料保护.2003，36（6）：25～26.
　　[9]structural stability and hardness of carburized surfaces of 316 stainless steel after welding and after neutron irradiation； journal of nuclear materials 356（2006）178-188.
　　[10]characterization of a carburized surface layer on an austenitic stainless steel； journal of nuclear materials 343（2005）123-133.
　　作者简介：冯志峰（1975，9-），男，上海市宝山区，现职称：高级工程师，学历：同济大学，工程硕士在读，研究方向：建筑工程施工。