奥氏体不锈钢低温碳扩散层摩擦-腐蚀耦合机制研究

采用低温碳扩散技术，可实现奥氏体不锈钢表层强化并抑制碳化物的生成和析出，避免奥氏体不锈钢耐蚀性下降，获得耐蚀性好、耐磨性和抗疲劳性能优异的强化层，其工业价值正逐渐引起人们重视。本项目以探索低温碳扩散技术中存在的技术基础问题为目的，以奥氏体不锈钢低温碳扩散层摩擦-腐蚀耦合机制研究为目标，通过奥氏体不锈钢表面耐磨层形成的热力学、动力学条件及摩擦过程对低温碳扩散改性不锈钢的力学和腐蚀性能影响的系统研究，探讨奥氏体不锈钢低温碳扩散层的强化机制和腐蚀机理的交互作用，了解碳原子表面固溶强化作用对奥氏体不锈钢中碳化物析出、晶体结构、电极电位的影响，掌握低温碳扩散渗层的摩擦与腐蚀性能变化规律。本项目研究，将探明奥氏体不锈钢低温碳扩散层的摩擦-腐蚀耦合作用机制，绘制碳化物析出门槛值曲线，建立影响摩擦、腐蚀性能的多因数数学模型，指导奥氏体不锈钢低温碳扩散技术的工业应用，形成具有自主知识产权的专利技术。

奥氏体不锈钢大量应用于化工、汽车、食品工业、药品机械、电器元件、海运及海洋构件、装饰及生活用品等领域，是目前使用最为广泛的金属耐腐蚀材料，全球的年需求量达到一千多万吨。但奥氏体不锈钢存在着表面强度不高的突出问题，直接表现为硬度、抗磨损性能及抗疲劳性能低，严重影响奥氏体不锈钢的使用范围，或是大幅度降低零部件的使用寿命。因此，奥氏体不锈钢的表面强化问题，成为制约这类材料应用的瓶颈。现在采用的常规化学热处理、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。所以，在不牺牲奥氏体不锈钢耐蚀的同时，实现其表面强化，是材料工作者追求的目标。自二十余年前人们注意到固溶强化作用可以实现奥氏体不锈钢的耐蚀强化后，发达国家开始了奥氏体不锈钢低温化学热处理技术的研究，开发了多种技术手段，并已形成以低温气体渗碳为核心的工业技术，其成套处理工艺已形成专利加以保护。但是，该技术在我国仍属空白，严重影响了我国一些不锈钢关键件的国产化。.本项目自主开发了奥氏体不锈钢低温气体渗碳成套技术，在国内首次系统研究了不锈钢去除钝化膜预处理方法和低温气体渗碳工艺，重点研究了耐蚀强化层的组织结构、腐蚀性能的变化以及摩擦学行为。研究表明，奥氏体不锈钢经低温渗碳处理，扩散进入基体的碳原子固溶于奥氏体晶格，致使其晶体结构发生了很大变化，产生固溶强化效果，且无碳化物析出。根据不同的材料牌号和处理工艺，可在奥氏体不锈钢表面制备厚度达到20~40μm的耐蚀强化层，碳含量可达6%以上，硬度到达850~1200HV，比基体硬度提高3~4倍。随着渗碳处理温度的降低，耐蚀性能提高，与基体基本相当；在485℃以上渗碳，出现的碳化物析出现象，导致耐蚀性明显降低。与基体相比，摩擦系数略有提高，耐磨性能随着渗碳处理温度的升高而提高，增幅达2~3倍，其磨损机理由原不锈钢的粘着磨损转变为磨粒磨损形态。项目还研究了低温渗碳工艺参数对耐蚀性能、耐磨性能的影响，初步建立了相互之间的定量关系，为强化技术的设计和评估提供了参考依据。本项目已形成具有自主知识产权的专利技术，将推动奥氏体不锈钢表面强化技术的发展。