1、奧氏體不銹鋼耐腐蝕表面硬化技術森科五金（深圳）有限公司 作者：王峰杰1. 前言奧氏體不銹鋼（如 316、304、321、201 等）具有良好的耐蝕性，已廣泛應用于石油、化工、 醫藥、食品、通訊、電子、精密機械以及裝飾等工業領域，但表面硬度低（退火態硬度一般 為180210HV、耐磨性差，不能用于對耐磨性要求較高的場合。由于奧氏體不銹鋼中的奧氏體相具有很好的熱穩定性，淬火等熱處理手段不能改善其硬度，傳統的做法是在 500C以上進行滲氮或在 800 C以上進行滲碳來大幅度提高奧氏體不銹鋼的 表面硬度， 但耐腐蝕性急劇下降， 如何在不降低奧氏體不銹鋼耐蝕性的前提下對奧氏體不銹 鋼表面進行硬化（簡稱“

2、耐蝕表面硬化”）已成為表面工程技術領域研究的熱點課題之一。上世紀八十年代中期， 英國伯明翰大學的 T. Bell 等人首次發現奧氏體不銹鋼在較低溫度下（350450C）進行離子滲氮，能形成單一的氮擴大奧氏體相（ S相），既可以得到一定的 表面硬度又保證了耐腐蝕性， 為奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術的發展提供了一種思路。進一步研究發現，奧氏體不銹鋼在較低溫度下（450550C ）進行滲碳，能形成單一的碳擴大奧氏體相，同樣可以達到既耐腐蝕又耐磨的目的，而且耐腐蝕性和韌性還優于低溫滲氮。目前，奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化的研究與工業化應用主要集中在兩方面：（1）低溫氣體滲；（2）低溫離子滲。由于奧氏體不銹

3、鋼表面存在致密CrzQ鈍化層，嚴重阻礙 N、C滲入，因此傳統氣體滲很難處理奧氏體不銹鋼， 新型的低溫氣體滲工藝一般先用含有鹵素氣體或鹵 化物氣體的氣氛，如 F、HF、NF3和HCI等對奧氏體不銹鋼做表面活化以去除鈍化層，然后 再進行硬化。 低溫離子滲因為有等離子體參與處理過程， 通過強電場下的離子轟擊就可以達 到去除工件表面鈍化層的目的，因此容易對奧氏體不銹鋼進行加硬。2. 國外奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術工業應用情況經過最近二十多年的發展， 歐洲、 美國和日本在奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術方面走在前 列，部分工藝已形成工業化應用。KoIstering 工藝影響最大，已在歐洲和北美形成規模化工

4、業應用。該工藝20 年前由荷蘭人KoIster 發明并創立公司，率先在歐洲實現工業應用，后被國際熱處理行業知名企業Bodycoat 收購， 2003 年該工藝被介紹到北美。 KoIsterising 工藝的核心內容是較低溫度下， 通過一定時間的氣體滲碳處理來獲得碳擴散強化層。 主要特色是通過特殊的預處理方法去除 奧氏體不銹鋼表面的鈍化層， 并保證在整個滲碳處理過程中， 其表面不生成新的鈍化層。 這 種特殊的預處理方法目前還處于保密狀態。奧氏體不銹鋼經KoIsterising 處理后表面顯微 硬度可達1000I200HV0.05，常規耐蝕性能沒有下降，耐孔蝕性和耐應力腐蝕開裂性能明顯改善。Kol

5、sterising 細分為三種工藝：(1)硬化層深度為22卩m ( 2)硬化層深度33 卩m ;( 3)特殊的雙聯工藝。雙聯工藝主要是針對非奧氏體不銹鋼材料，通過將非奧氏體不銹鋼加熱到共析溫度以上使得非奧氏體轉變為奧氏體，再淬火形成常溫下的奧氏體結構， 然后進行硬化。本文前言中提到，奧氏體不銹鋼表面鈍化層阻礙N C滲入，因此低溫氣體滲時一般先用腐蝕性氣氛做表面活化以去除鈍化層，然后再進行硬化。日本Citizen 公司的全鋼硬化(Duratect )工藝、日本Airwater 公司的的NV超級滲氮和 NVPionite 工藝、美國Swagelok 公司的SAT12工藝都采用這種方法。以 SAT1

6、2為例來說明低溫氣體滲工藝過程。 SAT12也被 稱為低溫超飽和 (LTCSS) 滲碳工藝， 在滲之前和滲的過程中有兩次表面活化 (去鈍化層) 工 序，用的是腐蝕性氣氛 HCl。3. 奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術在鐘表行業的應用現狀德國辛恩( Sinn )采用滲碳工藝對部分款式的不銹鋼手表進行加硬，如圖 1 所示。 辛恩將此 種加硬工藝命名為泰級( Tegiment )不銹鋼硬化處理。經處理的不銹鋼鐘表件，除少部分保 持不銹鋼本身的亮白色外， 大部分都為啞光黑， 即先對噴砂面的不銹鋼進行滲碳硬化， 然后 再鍍DLC膜，結構圖如圖2所示。Citizen 公司也采用低溫氣體滲碳技術來加硬奧氏體不銹

7、鋼表件，對外宣傳為全鋼硬化技 術。基本工藝流程如下：100500C氟化去鈍化層400500C氣體滲碳酸洗研磨在國內， 奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術發展不成熟， 還沒有規模化應用于鐘表領域的相關 報導。3. 困擾離子滲技術發展的難題離子滲因為有等離子體參與所以具有效率高、 能耗低、用氣少、無污染等優點，很有發展前 途，但均勻性不好。離子滲的性能均勻性很大程度上取決于等離子體分布和溫度的均勻性， 傳統離子滲的溫度場主要依賴于等離子體放電對產品的轟擊加熱形成， 由于影響等離子體放 電均勻性的因素很多，因此存在著溫度均勻性差的固有難題，導致產品硬化的均勻性不好。 不同大小的工件同爐處理，大件溫度低、

8、小件溫度高；尺寸相同的工件同爐處理， 擺的密的 工件溫度高、擺的稀的工件溫度低；對于形狀復雜的工件，在空洞、狹縫、凹槽、尖角等處 容易因離子集中而造成溫度高于其它部位；薄壁件因為不同部位溫度不均勻產生應力應變， 易導致翹曲變形。 正因為離子滲存在性能均勻性不好、 產品質量不易控制的難題， 所以目前 國內滲氮行業 60%以上仍然采用氣體滲氮。4. 鐘表領域應用奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術面臨的挑戰奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術實質上是低溫滲氮和低溫滲碳技術， 最大特點是在硬化的同 時可以保證奧氏體不銹鋼耐蝕性， 但同時帶來了硬化層薄的缺點。 一般奧氏體不銹鋼低溫滲 氮硬化層不超過 30卩m奧氏體不

9、銹鋼低溫滲碳硬化層不超過50卩m奧氏體不銹鋼耐蝕表面硬化技術屬于淺表層硬化范疇， 完全不同于傳統意義上的滲氮和滲碳工藝， 這樣的強化效 果對于重載或對耐磨性要求較高的零部件顯然是不夠的。奧氏體不銹鋼手表件，如表殼、表帶、表圈、底蓋等，只是需要具有一定的抗劃傷能力，并 不像一些機械零部件那樣對耐磨性要求很高，國外文獻顯示不銹鋼手表件的表面硬度大于 500HV0.05 或 600HV0.025 已基本可滿足使用要求，因此從表面硬度角度考慮，奧氏體不銹 鋼耐蝕表面硬化技術很適合奧氏體不銹鋼鐘表件強化。但是奧氏體不銹鋼鐘表件除了表面硬度指標外，對外觀要求相當嚴，需要產品表面在硬 化后保持較高的平整度、 光