摘 要

奥氏体不锈钢在经低温气体渗碳之前，表面较软，强度不高易屈服，大大限制了其适用范围。为提高其机械性能，世界各国的科研人员陆续展开了奥氏体不锈钢表面强化研究，包括低温等离子渗碳/氮，低温气体渗碳。等离子渗碳由于成本高、渗碳不均匀和难以进行复杂试样的渗碳，故其有局限性，难以大规模应用。而低温气体渗碳不仅渗碳效果好，且成本相对较低。在经低温气体渗碳后，在材料表面形成约30μm的渗碳层。由于此项技术较其他来说，有很大的技术优势且发展较为成熟，应用也最为广泛。故为深入研究此项技术，本文先观察其性能表征，包括相组织、硬度、C原子浓度等；后采用四点弯曲实验，得出试样不同深度处的应力-应变曲线。据此分析其处渗碳层机械性能变化，从而得出低温气体渗碳对奥氏体不锈钢表面机械性能的影响。

关键词：低温气体渗碳 机械特性 渗碳层

Abstract  

Before the austenite stainless steel is carburized by the low temperature gas, the surface is soft, the strength is not high and it is easy to yield, which greatly limits its application range. In order to improve its mechanical properties, researchers from around the world have successively conducted surface hardening studies on austenitic stainless steels, including low-temperature plasma carburizing/nitrogen and low-temperature gas carburizing. Plasma carburizing has limitations due to its high cost, non-uniform carburization, and difficulty in carburizing complex specimens, making it difficult to apply on a large scale. Low-temperature gas carburizing not only has a good carburizing effect, but also has a relatively low cost. After the low-temperature gas carburization, a carburized layer of about 30 μm was formed on the surface of the material. Due to this technology, compared with others, there are great technical advantages and the development is more mature and the application is the most extensive. Therefore, in order to further study this technology, this article first observed its performance characterization, including the phase structure, hardness, C atom concentration, etc.; then use four-point bending experiment to obtain the stress-strain curve of the sample. Based on this, the mechanical properties of the carburized layer at different thicknesses were analyzed, and the effect of low temperature gas carburizing on the mechanical properties of the austenitic stainless steel surface was obtained.

Key Words：Carburized by the low temperature gas；Mechanical properties；Carburized layer

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2奥氏体不锈钢表面强化技术研究现状 2

1.2.1低温等离子强化技术研究现状 2

1.2.2 低温气体渗碳表面强化研究现状 3

1.3 渗碳层机械性能研究现状 6

1.3.1 低温渗碳对硬度及残余应力的影响 6

1.3.2 低温渗碳对材料强度、疲劳及塑性的影响 6

1.4 渗碳层机械性能研究还存在的问题 7

1.5本课题研究主要内容及方法 8

第2章 低温气体渗碳试验及渗碳层性能表征 9

2.1 引言 9

2.2 试验内容及方法 9

2.2.1 低温气体渗碳试验 9

2.2.2 渗碳层性能表征 11

2.3试验结果与讨论 12

2.4 本章小结 14

第3章 渗碳层机械性能实验 15

3.1引言 15

3.2 试验内容和方法 15

3.3试验结果与讨论 16

3.4 本章小结 19

第4章 总结与展望 20

4.1 本文主要工作总结 20

4.1.1 主要工作及研究成果 20

4.1.2 意义及应用价值 21

4.2后期工作展望 21

第5章 经济性分析 22

5.1 经济效益 22

5.2社会效益 22

参考文献 23

致谢 28

第1章 绪论

1.1引言

不锈钢自1913年问世以来，经过百余年发展，形成了以奥氏体型、马氏体型、铁素体型、铁素体-奥氏体双相型和沉淀硬化型不锈钢^[[1]]为代表的钢种。不同种类的不锈钢，性能特点各不相同，奥氏体不锈钢性价比在以上不锈钢中较高，在各领域中被广泛应用。据不完全统计，奥氏体不锈钢用量约占工业不锈钢用量的80%~90%^[[2]]。绝大多数奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steels，AASs）以18Cr-8Ni不锈钢（含铬大于18%，还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素）为基础，通过增加或减少金属元素及加工热处理工艺，使其在常温下保持稳定，满足使用性能要求。例如，增加Cu元素，抗H性能提高；增加Mo、N元素，抗点蚀能力提高；增加W、Mo、Ti、Cr、Nb、V、等，抗高温氧化性能及高温强度提高。此外，也要对奥氏体不锈钢进行稳定化处理、固溶处理，使其在常温下保持稳定，避免晶界贫Cr保持良好的抗腐蚀性能。为使奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能更好，一般从控制其碳含量（方式有1、防止析出碳化物而减少有益元素；2、防止生成原电池（C-M）；3、控制硬度在适当的范围，一般为200～250HV，以此降低应力腐蚀开裂（SCC）敏感性）的角度出发，故奥氏体不锈钢强度和硬度一般较低，这就降低了其在磨损、疲劳等对强度、硬度要求大的工况下的使用寿命，所以如何提高奥氏体不锈钢的表面强度及硬度，成为学术及工程人员关注的焦点。奥氏体型不锈钢属于耐腐蚀钢，是使用最为广泛的一类钢，其中304与316奥氏体不锈钢应用最为成功，由于316不锈钢含Mo，304不锈钢不含Mo，因此316奥氏体不锈钢抗腐蚀性能更好，价格也更为昂贵。316不锈钢又衍生出316L不锈钢，其与316的主要区别是碳含量的不同，316L后面比316多加的一个L，表示316L是同系中比316含碳量更低的材料。316L不锈钢具有较好的综合学性能，便于进行机械加工、冲压和焊接，被广泛应用于管道, 热交换器, 食品工业,化工工业,钟表工业等行业。

但是，奥氏体不锈钢硬度及强度低，大大限制了其在磨损、疲劳及冲刷等工况下使用寿命。为拓宽奥氏体不锈钢的应用范围，延长其使用寿命，需对不锈钢进行强化处理。奥氏体不锈钢低温气体渗碳技术由于能够在不锈钢表面形成硬度极高，压缩残余应力极大的渗碳层，显著提高了不锈钢抗摩擦磨损、抗疲劳及抗应力腐蚀开裂等性能。目前为止，国内外很多学者针对低温气体渗碳强化后的奥氏体不锈钢的抗摩擦磨损性能、抗疲劳性能及抗腐蚀性能等进行了大量研究，而对于低温气体渗碳强化层力学性能的研究鲜见报道。然而，渗碳层位于不锈钢表面，直接与介质接触，其力学性能直接关系到不锈钢渗碳后整体使用性能（抗磨损、抗疲劳及耐腐蚀性能等），因此，有必要针对低温气体渗碳强化层本身的机械性能进行深入研究。

1.2奥氏体不锈钢表面强化技术研究现状

低温渗碳/氮强化起源于对核电站中子增殖反应堆中不锈钢表面渗碳现象的研究（1960年）。Holcomb^[[3]]和Morris ^[[4]]等在1960-1970年对液态钠中少量碳元素，在约550℃下，会很快在不锈钢表面出现富含碳化物进行过研究，却关注 “富含碳化物的渗碳层”的表面特征。70年代，K Natesan ^[[5]]指出，可降低温度来减慢碳化物的形成速度及反应速率。学者Rogers ^[[6]]研究“富含碳化物的渗碳层”，但他主要研究其耐腐蚀性能，发现低温气体渗碳强化层在提高抗磨损性能的同时，材料的抗腐蚀性能不会降低。后来关于不锈钢低温表面强化技术步入正轨，逐渐成熟。目前常用的低温奥氏体不锈钢表面强化技术有两种：低温等离子渗碳/氮和低温气体渗碳/氮技术。

1.2.1低温等离子强化技术研究现状

低温等离子渗碳/氮技术是把不锈钢放在富碳/氮气体的反应容器中，通过外加高电压，让电子从阴极冲向阳极。在外加高电压的作用下，在电子经过的路径上撞击含碳/氮气体分子，使之电离，产生的正离子加速撞击试样表面，使试样温度变高，碳/氮原子活度增强，加快其向金属内部渗透，形成强化层^[[7]]，装置原理图如图2-1。

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