本發(fā)明屬于不銹鋼表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴及制備方法與應(yīng)用。

　　背景技術(shù)：

　　銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18％、Ni 8％～10％、C約0.1％時(shí)，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發(fā)展起來的高Cr-Ni系列鋼。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有Mo、Cu等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0.03％或含Ti，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。高硅的奧氏體不銹鋼對濃硝酸具有良好的耐蝕性。由于奧氏體不銹鋼具有全面的和良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　奧氏體不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能，并具有良好的韌性、易加工性、焊接性及耐熱性，但缺點(diǎn)是硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能較低。滲氮是在一定溫度下、定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。對奧氏體不銹鋼進(jìn)行滲氮處理，是一種有效的表面強(qiáng)化方法。液體滲氮又稱鹽浴氮化處理，一種金屬熔鹽表面強(qiáng)化改性技術(shù)。將工件在兩種不同性質(zhì)的熔融鹽液中先后進(jìn)行處理，使多種元素同時(shí)滲入金屬表面，形成由幾種化合物組成的復(fù)合滲層，使金屬表面得到強(qiáng)化改性，耐磨性、抗蝕性和耐疲勞性同時(shí)得到大幅度提高。此工藝優(yōu)點(diǎn)：受熱均勻變形量小，少無氧化脫碳，加熱快，能很快轉(zhuǎn)變工件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，保溫性能和加熱均勻性能好，可以進(jìn)行固溶處理加熱，適用性廣泛，可進(jìn)行近乎無氧化的出貨處理等。同時(shí)投資少，周期短，質(zhì)量好，成本低，消耗小，目前新開發(fā)的滲劑基本上無毒、無污染，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　由于不銹鋼的耐蝕性能主要是因?yàn)殇撝刑砑恿算t元素。鉻元素在不銹鋼表面形成的一層致密的氧化膜，對環(huán)境中的腐蝕起到了屏蔽的作用。常規(guī)滲氮處理會(huì)破壞奧氏體不銹鋼的耐蝕性能是因?yàn)樵诟邷貤l件下(520℃以上)，高溫處理容易導(dǎo)致工件的形變，并且奧氏體不銹鋼中的鉻原子容易與氮原子結(jié)合，生成氮化鉻并首先析出在滲氮層奧氏體晶界上，并形成網(wǎng)狀分布；同時(shí)由于鉻原子半徑較大，內(nèi)部鉻很難擴(kuò)散到表層貧鉻層，這樣就造成了表面局部貧鉻，不容易形成致密Cr2O3的氧化膜。氧化膜被破壞后對奧氏體不銹鋼耐蝕性能的損害很大，所以開發(fā)一種不損害奧氏體不銹鋼耐蝕性的滲氮處理方法，解決奧氏體不銹鋼無法同時(shí)擁有良好的耐蝕性能和物理性能的矛盾，就能極大地提高其應(yīng)用范圍，也就是說，保證氮化物不被析出造成貧鉻現(xiàn)象從而保證奧氏體不銹鋼耐蝕性能的滲氮處理工藝方案是非常有意義的。

　　奧氏體不銹鋼鹽浴氮化處理的關(guān)鍵在于溫度、時(shí)間和氮?jiǎng)荩瑵B氮層的形成過程是通過氮的擴(kuò)散完成的。當(dāng)?shù)诰w里達(dá)到一定溫度時(shí)，將與鉻原子發(fā)生化合反應(yīng)，這基本是一個(gè)不可逆過程，所以減少該反應(yīng)的發(fā)生是解決問題的關(guān)鍵；而與之等效的低溫長時(shí)間滲氮反應(yīng)速度太低，需要達(dá)到同等厚度的滲層，時(shí)間會(huì)大大增加，例如430℃需要處理十多個(gè)小時(shí)才能達(dá)到520℃處理4小時(shí)的滲層厚度，效率低且同時(shí)對金屬表面造成大量污染；當(dāng)滲氮量(氮?jiǎng)?過高時(shí)，將加劇工件表面的化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致生成過大的疏松層，由于工件表面滲氮反應(yīng)的劇烈，又會(huì)導(dǎo)致氮的分布不均勻，局部密集、局部稀疏，滲層效果不理想，造成氮鹽的浪費(fèi)。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明提供了一種用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴，按照重量份數(shù)計(jì)算，該稀土鹽浴包括碳酸鈉12～18份、碳酸鉀21～29份、尿素17～23份、碳酸鋰3～5份、氧化釹1～2份、氯化鈉12～25份、氯化鉀12～25份、脫水硼砂2～4份、碳化硅2～3份，

　　上述鹽浴的基本反應(yīng)關(guān)系為：

　　M2CO3+2CO(NH2)2→2MCNO+2NH3+CO2↑+H2O↑

　　其中，CNO-可發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氮原子，同時(shí)自身非氧化分解可生產(chǎn)C原子，因此，上述碳酸鹽和尿素為基鹽反應(yīng)鹽，

　　低溫滲氮的鹽浴液首先要有足夠的CNO-和CN-濃度，同時(shí)要保證鹽浴混合鹽的熔點(diǎn)低于520℃，

　　氧化釹對被滲零件的表面起著清潔作用，同時(shí)具有催化和長時(shí)間穩(wěn)定表面滲透的效果，有利于降低滲氮溫度，使?jié)B氮過程中工件的形變減小，這樣也保證了反應(yīng)平緩，對整個(gè)鹽及工件的性能起到了持續(xù)的保證，

　　其次，可以使得滲透層更加的致密，使腐蝕物質(zhì)的進(jìn)入困難，因此防腐蝕性能進(jìn)一步提高，

　　同時(shí)微量的稀土元素的加入，在金屬表面上附上了一層過濾層，從而使得氮原子能有序、持續(xù)地進(jìn)入滲層，使?jié)B氮層中氮原子分布更為均勻，促進(jìn)了氮原子的分散，從而使基礎(chǔ)反應(yīng)鹽(碳酸鹽和尿素)的加入量大大降低，卻能夠同樣達(dá)到原有的滲層硬度等性能要求，

　　所以稀土起到一種催化劑的作用，而非基礎(chǔ)原料，且用量很少；

　　反應(yīng)式中，M主要為金屬K和Na，M2CO3為反應(yīng)鹽，主要提供負(fù)離子碳酸根，鉀和鈉與基鹽氯化物的正離子相同，可以簡化成分、降低成分變化、降低鹽的復(fù)雜性、維護(hù)鹽浴成分、增加反應(yīng)穩(wěn)定性，

　　而氯化鉀和氯化鈉的配合使用，使得反應(yīng)正常進(jìn)行，同時(shí)降低了單一鹽的活性，并對熔點(diǎn)調(diào)整有幫助，

　　同時(shí)在鹽浴中適當(dāng)加入鋰鹽，使得鹽浴的活性增加，同時(shí)進(jìn)一步對混合鹽的熔點(diǎn)降低有幫助，

　　為了降低過程中奧氏體不銹鋼脫碳的風(fēng)險(xiǎn)，加入少量脫水硼砂和碳化硅。

　　本發(fā)明還提供了一種上述稀土鹽浴的制備方法：將各組分混合并于520℃～540℃下熔化均勻，

　　本發(fā)明還提供了一種上述稀土鹽浴的應(yīng)用：即用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼，

　　在430℃～520℃下對不銹鋼表面進(jìn)行滲氮處理，

　　具體操作為：將待處理的不銹鋼浸入裝于坩堝中的上述稀土鹽浴，將坩堝加蓋并密封，將密封后的坩堝于430℃～520℃下高溫處理，將坩堝冷卻。

　　具體實(shí)施方式

　　實(shí)施例1

　　按照重量份數(shù)計(jì)算，將碳酸鈉12份、碳酸鉀21份、尿素17份、碳酸鋰3份、氧化釹1份、氯化鈉21份、氯化鉀20份、脫水硼砂2份、碳化硅3份混合后放入鹽浴爐中,爐體直徑1.5米，裝料0.7米深，80℃烘烤2小時(shí)后逐步升溫至520℃，升溫時(shí)間控制在兩個(gè)半小時(shí)，并于該溫度下熔化均勻，然后降溫至430℃，得到用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴；

　　將待處理的不銹鋼加熱到400℃后緩慢浸入上述稀土鹽浴中(禁止低溫放入)并保溫5小時(shí)，得到滲氮后的不銹鋼工件，滲層厚度達(dá)到40微米。所得滲氮層表面光潔，滲氮層硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能優(yōu)異，完全符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

　　對比實(shí)施例1

　　未添加稀土材料氧化釹，其余組分、步驟同實(shí)施例1：

　　按照重量份數(shù)計(jì)算，將碳酸鈉12份、碳酸鉀21份、尿素17份、碳酸鋰3份、氯化鈉21份、氯化鉀20份、脫水硼砂2份、碳化硅3份混合后放入鹽浴爐中,爐體直徑1.5米，裝料0.7米深，80℃烘烤2小時(shí)后逐步升溫至520℃，升溫時(shí)間控制在兩個(gè)半小時(shí)，并于該溫度下熔化均勻，然后降溫至430℃，得到用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴；

　　將待處理的不銹鋼加熱到400℃后緩慢浸入上述鹽浴中并保溫，保溫時(shí)間達(dá)到19.5小時(shí)后滲氮層厚度僅達(dá)到19微米且不再隨著保溫時(shí)間的延長而有任何升高；且對金屬表面造成了明顯的污染(光潔度差)；所得滲氮層的硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能相比于實(shí)施例1下降較明顯，這主要是因?yàn)樵跊]有加入稀土元素的情況下，滲氮量少(由于碳酸鹽和尿素含量少?zèng)Q定)且無法使氮元素在滲層中有足夠的分散度及有序的排列而導(dǎo)致的。

　　對比實(shí)施例2

　　將“氧化釹”用等摩爾的“氧化鈰”替代，其余組分、步驟同實(shí)施例1。

　　滲氮保溫時(shí)間達(dá)到20小時(shí)后滲氮層厚度僅達(dá)到20微米且不再隨著保溫時(shí)間的延長而有任何升高，處理后工件表面的所得滲氮層的硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能基本與對比實(shí)施例1持平。

　　對比實(shí)施例3

　　將“氧化釹”用等摩爾的“氯化釹”替代，其余組分、步驟同實(shí)施例1。

　　滲氮保溫時(shí)間達(dá)到19.5小時(shí)后滲氮層厚度僅達(dá)到19微米且不再隨著保溫時(shí)間的延長而有任何升高，處理后工件表面的所得滲氮層的硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能基本與對比實(shí)施例1持平。

　　對比實(shí)施例2和對比實(shí)施例3說明了：使用其他形式的稀土催化劑，在該用量的前提下根本無法起到促進(jìn)滲氮的作用。

　　對比實(shí)施例4

　　稀土鹽浴中，基礎(chǔ)反應(yīng)鹽(碳酸鹽和尿素)用量增大，其余組分、步驟同實(shí)施例1：

　　按照重量份數(shù)計(jì)算，將碳酸鈉19份、碳酸鉀29份，尿素25份、碳酸鋰3份、氧化釹1份、氯化鈉21份、氯化鉀20份、脫水硼砂2份、碳化硅3份混合后放入鹽浴爐中,爐體直徑1.5米，裝料0.7米深，80℃烘烤2小時(shí)后逐步升溫至520℃，升溫時(shí)間控制在兩個(gè)半小時(shí)，并于該溫度下熔化均勻，然后降溫至430℃，得到用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴；

　　將待處理的不銹鋼加熱到400℃后緩慢浸入上述稀土鹽浴中并保溫4.6小時(shí)，得到滲氮后的不銹鋼工件，滲層厚度達(dá)到40微米；但是所得滲氮層的硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能相比于實(shí)施例1均有所下降。

　　這是因?yàn)殡m然基礎(chǔ)反應(yīng)鹽(碳酸鹽和尿素)用量的增加促進(jìn)了滲氮量的提高，但是氮?jiǎng)葸^高一方面加劇了工件表面的化學(xué)反應(yīng)容易生成過大的疏松層，另一方面又使氮層內(nèi)部分氮元素分布不均勻而無法最好地發(fā)揮增強(qiáng)效果，這兩個(gè)因素導(dǎo)致雖然滲氮量有了增加，但是效果上并沒有提高。

　　對比實(shí)施例5

　　未添加稀土材料氧化釹，其余組分、步驟同對比實(shí)施例4：

　　按照重量份數(shù)計(jì)算，將碳酸鈉19份、碳酸鉀29份，尿素25份、碳酸鋰3份、氯化鈉21份、氯化鉀20份、脫水硼砂2份、碳化硅3份混合后放入鹽浴爐中,爐體直徑1.5米，裝料0.7米深，80℃烘烤2小時(shí)后逐步升溫至520℃，升溫時(shí)間控制在兩個(gè)半小時(shí)，并于該溫度下熔化均勻，然后降溫至430℃，得到用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴；

　　將待處理的不銹鋼加熱到400℃后緩慢浸入上述鹽浴中并保溫，為了使?jié)B層厚度同樣達(dá)到40微米，保溫時(shí)間提高到了13.8小時(shí)，且對金屬表面造成了明顯的污染(光潔度差)；所得滲氮層的硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能相比于實(shí)施例1基本持平或略有下降。

　　對比實(shí)施例6

　　未添加碳酸鋰，其余組分、步驟同實(shí)施例1：

　　按照重量份數(shù)計(jì)算，將碳酸鈉12份、碳酸鉀21份、尿素17份、氧化釹1份、氯化鈉21份、氯化鉀20份、脫水硼砂2份、碳化硅3份混合后放入鹽浴爐中,爐體直徑1.5米，裝料0.7米深，80℃烘烤2小時(shí)后逐步升溫至520℃，升溫時(shí)間控制在兩個(gè)半小時(shí)，并于該溫度下熔化均勻，然后降溫至430℃，得到用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴；

　　將待處理的不銹鋼加熱到400℃后緩慢浸入上述稀土鹽浴中，為了使?jié)B層厚度同樣達(dá)到40微米，保溫時(shí)間提高到了6.2小時(shí)，由于滲氮時(shí)間不長，滲氮層表面比較光潔；滲氮層的硬度、抗磨損性能、抗疲勞性能相比于實(shí)施例1基本持平。

　　技術(shù)特征：

　　1.一種用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴，其特征在于：按照重量份數(shù)計(jì)算，所述的稀土鹽浴包括碳酸鈉12～18份、碳酸鉀21～29份、尿素17～23份、碳酸鋰3～5份、氧化釹1～2份、氯化鈉12～25份、氯化鉀12～25份、脫水硼砂2～4份、碳化硅2～3份。

　　2.一種如權(quán)利要求1所述的稀土鹽浴的制備方法，其特征在于：所述方法為，將各組分混合并熔化均勻即可。

　　3.如權(quán)利要求2所述的稀土鹽浴的制備方法，其特征在于：熔化溫度為520℃～540℃。

　　4.一種如權(quán)利要求1所述的稀土鹽浴的應(yīng)用，其特征在于：所述的應(yīng)用為，在430℃～520℃下對不銹鋼表面進(jìn)行滲氮處理。

　　5.如權(quán)利要求4所述的稀土鹽浴的應(yīng)用，其特征在于：滲氮處理的具體操作為，將待處理的不銹鋼浸入裝于坩堝中的所述稀土鹽浴，將坩堝加蓋并密封，將密封后的坩堝于430℃～520℃下高溫處理，將坩堝冷卻。

　　技術(shù)總結(jié)

　　本發(fā)明屬于不銹鋼表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于低溫氮化處理奧氏體不銹鋼的稀土鹽浴及制備方法與應(yīng)用。按照重量份數(shù)計(jì)算，該稀土鹽浴包括碳酸鈉12～18份、碳酸鉀21～29份、尿素17～23份、碳酸鋰3～5份、氧化釹1～2份、氯化鈉12～25份、氯化鉀12～25份、脫水硼砂2～4份、碳化硅2～3份，將各組分混合并熔化均勻得到稀土鹽浴。該稀土鹽浴可在430℃～520℃下實(shí)現(xiàn)對不銹鋼表面進(jìn)行滲氮處理。

　　技術(shù)研發(fā)人員：馬玉山;劉海波;黃琴;何濤;賈華

　　受保護(hù)的技術(shù)使用者：吳忠儀表有限責(zé)任公司

　　文檔號(hào)碼：201610707569

　　技術(shù)研發(fā)日：2016.08.23

　　技術(shù)公布日：2016.12.21