一种核级不锈钢表面处理方法与流程

本发明涉及金属表面处理工艺技术领域，特别涉及一种核级不锈钢表面处理方法。

背景技术：

在核电工程应用中，奥氏体不锈钢因其无磁性而被广泛使用，如制作控制棒包壳，工艺管道，蒸汽发生器，泵，阀及剪切机刀体等，然其服役环境非常恶劣（高温、高压、高热流、强酸性），大多数零部件因摩擦磨损会进一步腐蚀而过早失效。

为提高其使用寿命，通常会对上述部件进行表面处理，渗氮处理就是针对核级不锈钢较为常用的手段。

过薄的氮化层根本无法保证不锈钢的耐磨性能，为获得满意的氮化层厚度，通常需要在较高温度下进行渗氮，高温渗氮不但会导致不锈钢基体中铬大量析出造成基体贫铬，而且采用高温渗氮获得的氮化层与基体结合强度不高，容易发生剥落，一旦氮化层剥落，贫铬基体会在极短时间内被腐蚀，从而导致零件失效。

研究表明，渗氮处理受材料、温度、气氛、电压、电流、时间、冷却方式等多种因素影响，目前业内尚未形成一个完整的理论体系，实际应用时的工艺参数选择无可靠的规律可循，存在极大的盲目性。

鉴于成熟理论体系的缺失，目前在针对核级不锈钢表面处理这一技术上近年来始终未能取得明显的突破。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种同时提高核级不锈钢耐磨性和耐腐蚀性的表面处理技术。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种核级不锈钢表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、注氮：离子注入能量为45-60kev、注入温度控制在300-400℃、注入剂量为6×10¹⁷ions/cm2-12×10¹⁷ions/cm2；

步骤二、注氮后进行离子渗氮：渗氮温度为450-490℃，渗氮气压为280-350pa，n2:h2为2.7-3.3:1，渗氮时间为15-19h，渗氮电压为750-800v，电流为2.5-3.3a。

优选的，在对工件注氮之前，对工件表面进行预处理，处理步骤包括：

1、将工件用200#sic水磨砂纸打磨，去除工件表面的切割划痕和油污，然后依次用400#、600#、800#、1000#和1200#sic水磨砂纸对工件表面进行机械打磨；

用尼龙抛光布和粒度为1.5μm的金刚石抛光膏对工件磨光面进行机械抛光，使其表面粗糙度达到ra≤0.05um；

2、依次在丙酮溶液、蒸馏水和酒精的混合溶液中对工件进行超声波清洗，每次清洗时间不低于15分钟。

进一步的，所述步骤一的离子注入能量为45kev,注入温度为400℃，注入剂量为9×10¹⁷ions/cm²-12×10¹⁷ions/cm²。

更进一步的，所述步骤二的渗氮温度为480-490℃，渗氮时间为17h,渗氮电压为800v，渗氮电流为3a。

优选的，所述步骤一的渗氮温度为480℃。

优选的，所述步骤一的离子注入能量为45kev，注入温度为400℃，注入剂量为9×10¹⁷ions/cm²。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将注氮处理作为第一处理步骤，将注氮和渗氮处理结合，克服了注氮后难于渗氮的问题，经本发明处理的核级不锈钢兼具良好的耐腐蚀性和极佳的耐磨性。

2、采用本发明方法获得氮化层具有氮含量逐渐变化的梯度，与基体结合强度高，最高达到5gpa,有效的解决了氮化层受压/冲击易剥落的问题。

3、本发明方法处理后工件表面形成了不同组织结构的氮化层，氮化层总厚度达到100um以上，且氮化层表面形成单一γn相，与单独注氮/渗氮相比，其γn相变宽，强度增加，γn相的生成有利于抗耐蚀性，因此处理后的不锈钢在硼酸溶液中具有更为优异的耐蚀性能。

4、本发明方法处理过的工件表面硬度显著提升，最高可达1500hv0.1，耐磨性获得了突破性的提高。

5、本发明方法相对于现有渗氮工艺，有效的减少（甚至避免）了高温渗氮造成的铬析出的问题。

6、本发明方法相对于现有渗氮工艺，有效的避免了渗氮过程中边缘效应、表面起弧等问题的产生，提高了处理效率和质量。

附图说明

图1是对比例2工件氮化层厚度显微照片。

图2是实施例3工件氮化层厚度显微照片。

图3是对比例2工件划痕测试照片。

图4是实施例3工件划痕测试照片。

图5是对比例2工件电化学腐蚀测试照片。

图6是实施例3工件电化学腐蚀测试照片。

图7是对比例2工件维氏硬度测试结果折线图。

图8是实施例3工件维氏硬度测试结果折线图。

图9是实施例3工件x射线衍射结果曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，应该注意的是下述实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明所使用的设备有多功能离子注入增强沉积设备、ld-3型离子渗氮炉，干燥箱，这些设备为本领域技术人员常用的注氮和渗氮设备，所用试验材料为核级304不锈钢，化学成分（以质量分数计）为：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%，fe余量。具体处理步骤如下：

第一步、工件的预处理

1）打磨：用200#sic水磨砂纸打磨，去除表面的切割划痕和油污，然后依次用400#、600#、800#、1000#和1200#sic水磨砂纸对试样表面进行机械打磨；

2）抛光：尼龙抛光布和粒度为1.5μm的金刚石抛光膏对各试样磨光面进行机械抛光，表面粗糙度达到ra≤0.05um；

3）清洗：依次在丙酮溶液、蒸馏水和酒精的混合溶液中进行超声波清洗，时间约为15分钟；

4）干燥：将清洗后的工件放如干燥箱内冷风干燥，密封待用。

第二步、离子注氮：将经过预处理的工件放入多功能离子注入增强沉积设备进行注氮，离子注入能量为45kv、注入温度控制在300-400℃，注入剂量为6×10¹⁷ions/cm²-12×10¹⁷ions/cm²；

第三步、离子渗氮：将注氮后的工件放入离子渗氮炉内进行渗氮处理，设置炉内温度为450-490℃，渗氮气压为330pa，n2:h2为3：1，渗氮时间为15-19h。

采用上述方法处理过的工件表面会产生一层厚度均匀的复合氮化层，该氮化层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和与基体的结合强度。该氮化厚度≥100um,表面硬度远远优于现有离子渗氮；xrd分析显示复合氮化层具备单一、宽化的γn相（参见），因而具有良好的耐腐蚀性；电化学腐蚀试验显示，处理后的工件自腐蚀电位提高，腐蚀电流增加缓慢，腐蚀率较渗氮处理的核级不锈钢大为降低；划痕试验显示复合氮化层载荷可达60n以上，且划痕边缘不出现复合氮化层剥离现象。

为验证上处理方法相对于现有注氮、渗氮表面处理工艺的改进幅度，申请人按现有工艺及上述改进后的方法做了8组试验。其中，改进后的方法为实施例1-5共五组；未经任何处理的核级不锈钢为对比例1；按现有工艺作渗氮处理为对比例2；按现有工艺作注氮处理为对比例3。

实施例1-5的不同之处主要在于对第二步和第三步的部分参数进行了调整，从而产生了各项性能指标略有差异的不同氮化层。各实施例及对比例的具体处理参数见下表1所示。

针对上述实施例1-5和对比例1-3处理后的工件，申请人进行了氮化层显微厚度测量、维氏硬度测试、电化学腐蚀测试、划痕测试（测量氮化层结合强度），测试结果见表2所示。

从上表测试结果可以看出，采用本发明方法处理的对核级不锈钢工件取得了良好的综合性能，且远远超过了传统渗氮处理和注氮处理的工件，需要对上述试验结果特别说明的是，对比例3采用注氮方法对工件进行表面处理，虽然腐蚀率较低，但是由于注氮方法本身的特点，其获得氮化层非常薄，以至于无法进行划痕试验来测试其结合强度，同时由于注氮层薄，耐磨性较差，无法适应核级不锈钢严苛的工作环境，故目前业内通常不会将注氮工艺用于对核电站控制棒包壳，工艺管道，蒸汽发生器，泵，阀及剪切机刀体作表面处理。

此外，从图1-6(图1是对比例2的显微照片，图2是实施例3的显微照片，图3是对比例2划痕试验照片，图4是实施例划痕试验照片，图5是实施例3腐蚀测试照片，图6是对比例2腐蚀测试照片）也可以看出，图2所示氮化层颜色从工件表面到结合处的界面均匀变化，可见该氮化层具有氮元素浓度变化的梯度，而图1中未见上述梯度变化；再对比图3与图4，图3所示工件在划痕处出现了边缘破碎现象，这显然是由于氮化层在测试时出现了剥落，而图4所示工件划痕处未出现任何剥落现象，显示出了优秀的结合强度;对比图5与图6，图5所示工件出现了非常明显的腐蚀坑，而图6所示工件仅发生轻微表面腐蚀，且深度未及基体；对比图7和图8，图8所示工件维氏硬度远远优于图7所示工件，远远超过了核级不锈钢实际应用的许用硬度。