奥氏体不锈钢S相渗层技术的意义

奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、优良的韧性和可加工性能，在许多领域获得广泛应用，但耐摩擦磨损性能较差、抗疲劳性能低，严重影响了不锈钢零部件的使用寿命。 

　　试验证明，不锈钢高温渗氮后淬火，即在1050～1150℃的真空炉中使氮溶解在不锈钢工件的表层，然后快速冷却下来，使氮化物来不及析出，从而可在工件表面形成含氮固溶强化的奥氏体渗氮层。高氮表面处理后，不仅提高了奥氏体不锈钢表面的强度、硬度和耐磨性，且心部仍保持固溶处理的组织和性能。因为这种渗氮层的晶格参数与γ相不同，被称之为“S相”。在S相中，氮原子固溶于奥氏体晶格内部，且抑制氮化铬在晶界处析出，因此在不降低奥氏体不锈钢耐蚀性能的前提下，显著提高了奥氏体不锈钢的表面硬度。由此发展起来的不锈钢表面S相改性技术成为不锈钢表面处理技术发展的重要里程碑。实验证明，将含碳气体代替氮气引入离子处理的气氛中，也能获得一层类似于渗氮层的S相硬化层。 

　　但是，传统的渗氮、渗碳技术虽然提高了不锈钢零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度，但由于渗氮、渗碳温度高，形成了氮化物和碳化物的沉淀相，牺牲了不锈钢的耐蚀性。同时，由于不锈钢表面形成一层致密的氧化膜，阻碍了氮、碳原子的渗入扩散。这些因素严重地制约了不锈钢渗氮、渗氮表面处理技术的发展和推广应用。 

　　与传统渗氮、渗碳技术不同，S相渗层技术是一种低温渗氮/渗碳技术。例如低温离子渗氮技术，将渗氮温度降低至450℃以下，渗入的氮形成固溶奥氏体，显著提高了奥氏体不锈钢的硬度，同时抑制渗氮过程中铬的氮化物析出，保持了不锈钢的耐腐蚀性能。低温离子渗氮技术，可获得几十微米的单相含氮膨胀奥氏体相。低温离子渗碳具有渗层均匀、韧性好、承载能力强、硬度梯度平缓、渗碳效率高等优点。另据报道，通过对不锈钢表面进行氟化处理，消除表面的氧化膜，同时在试样表面形成氟化膜，这种氟化膜提高了活性氮的吸附和扩散渗入，可使不锈钢的渗氮温度降低到300℃。 

　　渗氮奥氏体不锈钢可提供一个较强的亚表层来支承干滑动时所形成的氧化膜，比未渗氮试样能承受更高负荷。渗氮钢的磨损是氧化磨损机制，而未渗氮钢的磨损则是粘着和塑性变形机制。 

　　奥氏体不锈钢通过低温渗氮/渗碳，获得含氮/碳固溶饱和的扩散层，即S相渗层，不仅提高了不锈钢表面硬度，而且还提高了不锈钢的耐蚀性。例如，AISI304不锈钢在400℃、4h离子渗氮后，在5.5%NaCl溶液中的腐蚀电位提高了三倍，在3.5%的NaCl溶液中S相耐蚀性可以提高75%。低温渗氮提高了不锈钢的耐蚀性，因此延长了不锈钢零件的使用寿命，例如核反应堆奥氏体不锈钢控制棒处理后寿命由一年延长至三年以上。