Коррозионная стойкость труб из нержавеющей стали марки 304 в основном обусловлена добавлением в сталь определенной концентрации хрома. С одной стороны, когда содержание хрома в железной матрице достигает определенного уровня, электродный потенциал железа резко возрастает; с другой стороны, хром образует на поверхности плотную оксидную пленку, которая защищает от коррозии в окружающей среде. Цементация является эффективным методом упрочнения поверхности труб из нержавеющей стали марки 304, однако традиционный процесс цементации снижает их коррозионную стойкость.
Почему традиционная цементация разрушает коррозионную стойкость труб из аустенитной нержавеющей стали? Это происходит потому, что при высоких температурах атомы хрома в стальной трубе легко соединяются с атомами углерода, образуя карбид хрома, который сначала осаждается на границах зерен аустенита в цементированном слое и формирует сетчатую структуру. Из-за большого радиуса атомов хрома внутреннему хрому трудно диффундировать в поверхностный слой с низким содержанием хрома, что приводит к локальному дефициту хрома на поверхности, а также повреждает защитный слой плотной оксидной пленки Cr2O3 нержавеющей стали.
Следовательно, для предотвращения коррозии прецизионной трубы из нержавеющей стали 304 в результате цементации необходимо обеспечить отсутствие осаждения карбидов. Поскольку карбиды хрома образуются в определенном температурном диапазоне высоких температур, цементацию необходимо проводить в соответствующем низкотемпературном диапазоне, чтобы избежать образования и осаждения карбидов.
При этой температуре, благодаря малому радиусу атомов углерода и диффузии по междоузлиям, атомы углерода могут диффундировать в кристаллическую решетку аустенитной нержавеющей стали и образовывать твердый раствор после цементации; атомы Fe и Cr имеют больший радиус и могут диффундировать только по обменному механизму. Без достаточной энергии активации диффузии атомы железа и хрома не могут перемещаться. Это гарантирует, что карбиды хрома не образуются. Карбиды хрома образуются при 550 °C, поэтому низкотемпературная цементация прецизионных стальных труб из нержавеющей стали 304 будет проводиться при температуре ниже 550 °C для улучшения прочности поверхности и других свойств без ущерба для первоначальной коррозионной стойкости стальной трубы.
Основные этапы процесса следующие: Перед обработкой поверхность прецизионной трубы из нержавеющей стали подвергается предварительной обработке, называемой активацией поверхности сплава. В процессе активации используется смесь газов чистых HCl и N2 при температуре 250°C в течение 2 часов. HCl эффективно удаляет структуру пассивирующей пленки оксида хрома с поверхности аустенитной нержавеющей стали. Цель добавления N2 заключается в создании неокисляющей среды при атмосферном давлении, чтобы гарантировать, что атомы хрома в матрице больше не окисляются и предотвращается повторное образование пассивирующей пленки.
Затем, цементация при 470℃ в течение 20 часов позволяет получить упрочненный слой толщиной около 70 микрон. По сравнению с необработанным материалом, характеристики трубы из нержавеющей стали 316, обработанной LTCSS, значительно улучшаются: твердость поверхности увеличивается с исходных 400 hv до 1000 hv; предел усталости увеличивается с 200 МПа до 325 МПа; с точки зрения коррозионной стойкости, в растворе NaCl концентрацией 0,6 моль/л потенциал анодной питтинговой коррозии увеличивается с +140 мВ до +990 мВ.
В заключение следует отметить, что традиционная цементация разрушает коррозионную стойкость прецизионных труб из нержавеющей стали 304, но после низкотемпературной цементации не только сохраняется первоначальная коррозионная стойкость, но и значительно повышается твердость поверхности и износостойкость, что эффективно увеличивает надежность и срок службы прецизионных труб из нержавеющей стали 304.
Дата публикации: 18 июня 2024 г.