一種耐磨耐腐蝕的核級不銹鋼的制作方法

本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種耐磨耐腐蝕的核級不銹鋼。

背景技術(shù)：

在核電工程應(yīng)用中，奧氏體不銹鋼因其無磁性而被廣泛使用，如制作控制棒包殼，工藝管道，蒸汽發(fā)生器，泵，閥及剪切機(jī)刀體等，然其服役環(huán)境非常惡劣（高溫、高壓、高熱流、強(qiáng)酸性），大多數(shù)零部件因摩擦磨損會進(jìn)一步腐蝕而過早失效。

為提高其使用壽命，通常會對上述部件進(jìn)行表面處理，滲氮處理就是針對核級不銹鋼較為常用的手段。

過薄的氮化層根本無法保證不銹鋼的耐磨性能，為獲得滿意的氮化層厚度，通常需要在較高溫度下進(jìn)行滲氮，高溫滲氮不但會導(dǎo)致不銹鋼基體中鉻大量析出造成基體貧鉻，而且采用高溫滲氮獲得的氮化層與基體結(jié)合強(qiáng)度不高，容易發(fā)生剝落，一旦氮化層剝落，貧鉻基體會在極短時間內(nèi)被腐蝕，從而導(dǎo)致零件失效。

研究表明，滲氮處理受材料、溫度、氣氛、電壓、電流、時間、冷卻方式等多種因素影響，目前業(yè)內(nèi)尚未形成一個完整的理論體系，實際應(yīng)用時的工藝參數(shù)選擇無可靠的規(guī)律可循，存在極大的盲目性。

鑒于成熟理論體系的缺失，目前在針對核級不銹鋼表面處理這一技術(shù)上近年來始終未能取得明顯的突破。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種耐磨耐腐蝕的核級不銹鋼。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種耐磨耐腐蝕的核級不銹鋼，其特征在于，進(jìn)行如下表面處理：

步驟一、注氮：離子注入能量為45-60KeV、注入溫度控制在300-400℃、注入劑量為6×10¹⁷ions/cm2-12×10¹⁷ions/cm2；

步驟二、注氮后進(jìn)行離子滲氮：滲氮溫度為450-490℃，滲氮?dú)鈮簽?50-330pa，N2:H2為2.7-3.3:1，滲氮時間為15-19h，滲氮電壓為750-800V，電流為2.5-3.3A。

優(yōu)選的，在對核級不銹鋼注氮之前，對其表面進(jìn)行預(yù)處理，處理步驟包括：

1、將核級不銹鋼用200#SiC水磨砂紙打磨，去除其表面的切割劃痕和油污，然后依次用400#、600#、800#、1000#和1200#SiC水磨砂紙對工件表面進(jìn)行機(jī)械打磨；

2、用尼龍拋光布和粒度為1.5μm的金剛石拋光膏對其磨光面進(jìn)行機(jī)械拋光，使其表面粗糙度達(dá)到Ra≤0.05um；

3、依次在丙酮溶液、蒸餾水和酒精的混合溶液中對工件進(jìn)行超聲波清洗，每次清洗時間不低于15分鐘。

進(jìn)一步的，所述步驟一的離子注入能量為45KeV,注入溫度為400℃，注入劑量為9×10¹⁷ions/cm²-12×10¹⁷ions/cm²。

更進(jìn)一步的，所述步驟二的滲氮溫度為480-490℃，滲氮時間為17h,滲氮電壓為800V，滲氮電流為3A。

優(yōu)選的，所述步驟一的滲氮溫度為480℃。

優(yōu)選的，所述步驟一的離子注入能量為45KeV，注入溫度為400℃，注入劑量為9×10¹⁷ions/cm²。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的耐磨耐腐蝕的核級不銹鋼將注氮處理作為第一表面處理步驟，并將注氮和滲氮處理結(jié)合，克服了注氮后難于滲氮的問題，所獲得的核級不銹鋼兼具良好的耐腐蝕性和極佳的耐磨性。

2、本發(fā)明提供的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼具有氮含量逐漸變化的氮化層，該氮化層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，最高達(dá)到5Gpa,有效的解決了氮化層受壓/沖擊易剝落的問題。

3、本發(fā)明所提供的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼表面形成了不同組織結(jié)構(gòu)的氮化層，氮化層總厚度達(dá)到100um以上，且氮化層表面形成單一γN相，與單獨(dú)注氮/滲氮相比，其γN相變寬，強(qiáng)度增加，γN相的生成有利于抗耐蝕性，因此處理后的不銹鋼在硼酸溶液中具有更為優(yōu)異的耐蝕性能。

4、本發(fā)明所提供的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼的硬度顯著提升，最高可達(dá)1500HV_0.1，耐磨性獲得了突破性的提高。

5、本發(fā)明提供的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼，有效的減少（甚至避免）了高溫滲氮造成的鉻析出，保持了其基體優(yōu)異的耐腐蝕性能。

6、本發(fā)明提供的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼，無傳統(tǒng)滲氮過程中因邊緣效應(yīng)、表面起弧造成的氮化層不均勻和灼燒現(xiàn)象。

附圖說明

圖1 是對比例2氮化層厚度顯微照片。

圖2是實施例3氮化層厚度顯微照片。

圖3是對比例2劃痕測試照片。

圖4是實施例3劃痕測試照片。

圖5是對比例2電化學(xué)腐蝕測試照片。

圖6是實施例3電化學(xué)腐蝕測試照片。

圖7是對比例2維氏硬度測試結(jié)果。

圖8是實施例3維氏硬度測試結(jié)果。

圖9是實施例3 X射線衍射結(jié)果。

具體實施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實施例與附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，應(yīng)該注意的是下述實施方式提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。

制備本發(fā)明所述的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼需使用的設(shè)備有多功能離子注入增強(qiáng)沉積設(shè)備、LD-3型離子滲氮爐，干燥箱，這些設(shè)備為本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的注氮和滲氮設(shè)備，所用試驗材料為核級304不銹鋼，化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）為：C≤0.07%，Si≤1.0%，Mn≤2.0%，Cr：17.0%~19.0%，Ni：8.0%~12.0%，P≤0.035%，S≤0.03%，F(xiàn)e余量。具體制備步驟如下：

第一步、核級不銹鋼的預(yù)處理

1）打磨：用200#SiC水磨砂紙打磨，去除表面的切割劃痕和油污，然后依次用400#、600#、800#、1000#和1200#SiC水磨砂紙對核級不銹鋼表面進(jìn)行機(jī)械打磨；

2）拋光：尼龍拋光布和粒度為1.5μm的金剛石拋光膏對各試樣磨光面進(jìn)行機(jī)械拋光，表面粗糙度達(dá)到Ra≤0.05um；

3）清洗：依次在丙酮溶液、蒸餾水和酒精的混合溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時間約為15分鐘；

4）干燥：將清洗后的核級不銹鋼放如干燥箱內(nèi)冷風(fēng)干燥，密封待用。

第二步、離子注氮：將經(jīng)過預(yù)處理的核級不銹鋼放入多功能離子注入增強(qiáng)沉積設(shè)備進(jìn)行注氮，離子注入能量為45KV、注入溫度控制在300-400℃，注入劑量為6×10¹⁷ions/cm²-12×10¹⁷ions/cm²；

第三步、離子滲氮：將注氮后的核級不銹鋼放入離子滲氮爐內(nèi)進(jìn)行滲氮處理，設(shè)置爐內(nèi)溫度為450-490℃，滲氮?dú)鈮簽?30pa，N_2:H₂為3：1，滲氮時間為15-19h。

采用上述方法處理過的核級不銹鋼表面會產(chǎn)生一層厚度均勻的復(fù)合氮化層，該氮化層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和與基體的結(jié)合強(qiáng)度。該氮化厚度≥100um,表面硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有離子滲氮；XRD分析顯示復(fù)合氮化層具備單一、寬化的γN相（參見），因而具有良好的耐腐蝕性；電化學(xué)腐蝕試驗顯示，處理后的核級不銹鋼自腐蝕電位提高，腐蝕電流增加緩慢，腐蝕率較傳統(tǒng)滲氮處理的核級不銹鋼大為降低；劃痕試驗顯示復(fù)合氮化層載荷可達(dá)60N以上，且劃痕邊緣不出現(xiàn)復(fù)合氮化層剝離現(xiàn)象。

為驗證本發(fā)明提供的耐磨耐腐蝕核級不銹鋼相對于現(xiàn)有注氮、滲氮表面處理工藝后的核級不銹鋼的綜合性能的改進(jìn)幅度，申請人使用現(xiàn)有工藝及上述制備方法做了8組試驗。其中，上述制備方法為實施例1-5共五組；未經(jīng)任何處理的核級不銹鋼為對比例1；按現(xiàn)有工藝作滲氮處理為對比例2；按現(xiàn)有工藝作注氮處理為對比例3。

實施例1-5的不同之處主要在于對第二步和第三步的部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，從而產(chǎn)生了各項性能指標(biāo)略有差異的不同氮化層。各實施例及對比例的具體處理參數(shù)見下表1所示。

針對上述實施例1-5和對比例1-3，申請人進(jìn)行了氮化層顯微厚度測量、維氏硬度測試、電化學(xué)腐蝕測試、劃痕測試（測量氮化層結(jié)合強(qiáng)度），測試結(jié)果見表2所示。

從上表測試結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明方法處理的對核級不銹鋼取得了良好的綜合性能，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)滲氮處理和注氮處理的工件，需要對上述試驗結(jié)果特別說明的是，對比例3采用注氮方法對核級不銹鋼進(jìn)行表面處理，雖然腐蝕率較低，但是由于注氮方法本身的特點(diǎn)，其獲得氮化層非常薄，以至于無法進(jìn)行劃痕試驗來測試其結(jié)合強(qiáng)度，同時由于注氮層薄，耐磨性較差，無法適應(yīng)核級不銹鋼嚴(yán)苛的工作環(huán)境，故目前業(yè)內(nèi)通常不會將注氮工藝用于對核電站控制棒包殼，工藝管道，蒸汽發(fā)生器，泵，閥及剪切機(jī)刀體作表面處理。

此外，從圖1-6(圖1是對比例2的顯微照片，圖2是實施例3的顯微照片，圖3是對比例2劃痕試驗照片，圖4是實施例劃痕試驗照片，圖5是實施例3腐蝕測試照片，圖6是對比例2腐蝕測試照片）也可以看出，圖2所示氮化層顏色從工件表面到結(jié)合處的界面均勻變化，可見該氮化層具有氮元素濃度變化的梯度，而圖1中未見上述梯度變化；再對比圖3與圖4，圖3所示工件在劃痕處出現(xiàn)了邊緣破碎現(xiàn)象，這顯然是由于氮化層在測試時出現(xiàn)了剝落，而圖4所示工件劃痕處未出現(xiàn)任何剝落現(xiàn)象，顯示出了優(yōu)秀的結(jié)合強(qiáng)度;對比圖5與圖6，圖5所示工件出現(xiàn)了非常明顯的腐蝕坑，而圖6所示工件僅發(fā)生輕微表面腐蝕，且深度未及基體；對比圖7和圖8，圖8所示工件維氏硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于圖7所示工件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了核級不銹鋼實際應(yīng)用的硬度要求。