16Mn焊管S相渗层技术的意义

 

　　16Mn焊管具有良好的耐蚀性、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16Mn焊管零部件的使用寿命。

　　试验证明，16Mn焊管高温渗氮后淬火，即在1050～1150℃的真空炉中使氮溶解在16Mn焊管工件的表层，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16Mn焊管表面的强度、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16Mn焊管耐蚀性能的前提下，显著提高了16Mn焊管的表面硬度。由此发展起来的16Mn焊管表面S相改性技术成为焊管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16Mn焊管零件表面硬度、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16Mn焊管的耐蚀性。同时，由于16Mn焊管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16Mn焊管渗氮、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16Mn焊管的硬度，同时抑制渗氮过程中铬的氮化物析出，保持了16Mn焊管的耐腐蚀性能。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16Mn焊管表面进行氟化处理，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16Mn焊管的渗氮温度降低到300℃。

　　渗氮16Mn焊管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。

　　16Mn焊管通过低温渗氮/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16Mn焊管表面硬度，而且还提高了16Mn焊管的耐蚀性。例如，16Mn焊管在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16Mn焊管的耐蚀性，因此延长了16Mn焊管零件的使用寿命，例如核反应堆16Mn焊管控制棒处理后寿命由一年延长至三年以上。

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