[發明專利]一種提高馬氏體不銹鋼耐磨耐蝕性能的離子滲氮方法

在審

• 申請號: 202110594093.5
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113388802A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 郭相龍;賴平;韓忠立;張樂福
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C23C8/38
• 分類號: C23C8/38;C23C8/02
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明屬于金屬表面處理技術領域，具體涉及一種提高馬氏體不銹鋼耐磨耐蝕性能的離子滲氮方法。該方法包括以下步驟：先對不銹鋼表面進行預處理，將核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼進行超聲清洗和機械打磨，再對其進行滲氮處理，其中離子滲氮的溫度為410℃?430℃；N₂和H₂的比例為1:3；電壓為700V；滲氮時間設定為：1?10h。通過上述步驟，使核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼的表面獲得具有一定深度的滲氮層，從而解決核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼在服役過程中(高溫高壓水環境中)磨損和腐蝕的問題，提高核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼在服役中(高溫高壓水環境中)的磨損性和耐腐蝕性能。

技術領域

本發明屬于金屬表面處理技術領域，具體涉及一種提高馬氏體不銹鋼耐磨耐蝕性能的離子滲氮方法。

背景技術

反應堆控制棒驅動機構軸承的轉動性能和壽命直接影響到驅動機構的運行，是驅動機構中的關鍵零件。控制棒驅動機構的軸承分布于反應堆密封殼內，其即承受摩擦負荷的作用，同時又暴露在一回路水中，承受高溫水的腐蝕，因此，獲得具有優良的耐磨損及耐腐蝕性能的軸承材料，是保障反應堆安全穩定運行的關鍵之一。

目前，反應堆控制棒驅動機構軸承用馬氏體沉淀硬化不銹鋼材料(17-4PH)具有優良的耐腐蝕及綜合力學性能，但是，盡管17-4PH不銹鋼的強度高，但是表面硬度低，耐磨性不佳，特別是在反應堆嚴苛的腐蝕環境下，嚴重的降低了使用壽命。因此，研發在服役環境下具有優良耐磨性能的材料，成為提高控制棒驅動機構的行程的迫切需求。

表面處理技術是目前提高材料的耐腐蝕及耐磨損性能的有效技術手段，而離子滲氮是最有前途的不銹鋼材料表面處理工藝之一，其利用光輝放電的物理現象，即能夠對工件的表面進行離子濺射清潔，又能促進氮向工件內部擴散，獲得具有一定深度的滲氮層，從而克服氣體滲氮層薄的弱點。目前，離子滲氮技術成熟度高，在工業界已經有一定的應用，但是針對馬氏體沉淀硬化不銹鋼的離子滲氮技術尚未定型：含Cr的不銹鋼在離子滲氮過程中，如果工藝控制不當，容易造成CrN顆粒析出，大幅度的降低材料的耐腐蝕性能；除此之外，17-4PH不銹鋼的回火溫度高(高于580℃)的情況下，容易發生過時效，導致材料的沉淀硬化效果消失，因此，離子滲氮的溫度不能高于該溫度，這就需要對17-4PH不銹鋼的離子滲氮的工藝進行研究，從而能在保證其在高溫高壓水中耐腐蝕性能的前提下，提高其耐磨損性能。

目前國內已有一些針對奧氏體不銹鋼的離子滲氮技術，比如《CN201610504576一種奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮的方法》、《CN201710777401一種奧氏體不銹鋼低溫快速離子滲氮的方法》、《CN201710134695.6一種耐磨耐腐蝕的核級不銹鋼》。此外，還有通過熱處理、冶金等方法來改變軸承的耐磨耐腐蝕性的一些技術，比如《CN201610099747-一種耐磨耐腐蝕軸承》、《CN201310472021-一種粉末冶金耐磨耐腐蝕軸承材料及其制備方法》。

現有的離子滲氮技術主要針對奧氏體不銹鋼進行，而且主要解決的是離子滲氮過程中滲氮層厚度薄、不均勻等問題，但奧氏體與馬氏體具有不同的組織結構，用離子滲氮獲得了同樣的滲氮層厚度與均勻性，其抗磨損和腐蝕的性能也是不一樣的。離子滲氮過程中也會導致滲氮層組織和性能的不同，因此并不能將奧氏體的離子滲氮方法簡單的應用在馬氏體沉淀硬化不銹鋼上。而馬氏體沉淀硬化不銹鋼磨損和腐蝕的問題不只是與滲氮層的厚度與均勻性有關，還與滲氮層中的組織結構有關，目前沒有關于利用離子滲氮技術，解決核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼在服役過程(應用在反應堆高溫高壓水中)中磨損和腐蝕的問題。此外，雖然有一些針對軸承的熱處理以及冶金技術，但均未給出其耐磨損與耐腐蝕的性能測試結果，仍然不能解決核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼在服役過程中磨損和腐蝕的問題。

針對上述核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼17-4PH在服役過程中容易發生腐蝕和磨損，使用壽命降低以及在離子滲氮過程中有CrN顆粒的析出，材料的耐腐蝕性能大大降低的問題，本發明正是結合了離子滲氮技術與高溫高壓水中性能測試手段，提供一種提高馬氏體不銹鋼(尤其是核級馬氏體沉淀硬化不銹鋼17-4PH)耐磨耐蝕性能的離子滲氮方法。

發明內容