316L不銹鋼管表面滲鈦合金層的制備工藝方法

  浙江至德鋼業(yè)有限公司技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，316L不銹鋼管在等離子滲金屬的過程中，等離子體的濺射、輸運及吸附擴散等，均會受到源極電壓、陰極電壓、工作氣壓、溫度以及極間距等工藝參數(shù)的影響。不同的工藝參數(shù)將直接影響到改性層的組織成分及相結(jié)構(gòu)，進而影響改性層在磨損、腐蝕等工況中的使用性能，因此研究工藝參數(shù)對改性層形成的影響規(guī)律非常重要。本章根據(jù)雙層輝光離子滲金屬原理及前人在不銹鋼表面滲金屬的經(jīng)驗，分析了溫度、保溫時間及氣壓等因素對滲層質(zhì)量的影響，確定了316L不銹鋼管表面滲鈦的工藝參數(shù)。

一、實驗材料及設(shè)備

 1. 實驗材料

   a. 試驗基材實驗基材選擇Φ20mm ×5mm的316L不銹鋼管，其化學成分見表。所有試樣都經(jīng)過打磨拋光，表面粗糙度平均值Ra≤0.02μm。

   b. 源極材料源極材料為粉末冶金法制備的純Ti板(純度>99.5%)。裝爐前試樣先用丙酮清洗, 接著用乙醇超聲清洗15分鐘，干燥后備用。

   c. 試驗氣體氬氣為工作載氣。

  2. 實驗設(shè)備

   試驗用爐是太原理工大學表面工程研究所自行設(shè)計生產(chǎn)的LS-450型雙層輝光等離子滲金屬真空爐見圖，真空室尺寸：Φ450 ×540mm，極限真空度：< 1×6.7-2Pa。源極電壓：武漢離子化學熱處理研究所設(shè)計制造的型號為LD-23型可調(diào)直流電源，源極電壓范圍0～1500V，電流范圍為0～15A，最大輸出功率為23KW。陰極電源：LD-30型離子源可調(diào)直流電源，輸出直流電壓：0-1000V；輸出最大電流：30A。氣壓測量儀：2D0-152型定溫式熱偶真空計。溫度測量儀：WDL-31型光電溫度儀，測溫范圍：600℃-1000℃，顯示精度：±5℃。氣流量控制儀：D07系列，D08-1A/ZM型流量計，氣流量控制范圍：0-300SCCM。

 二、工藝方案

  1. 實驗步驟

   a. 先將316L不銹鋼管試樣用砂紙打磨、拋光并用丙酮清洗，然后將試樣按設(shè)計的源極、陰極放置方式（懸掛式）放置好，并置入合理的保溫套，上部放頂蓋，確保有一個穩(wěn)定的滲鈦氣氛并起到保溫作用。

  b. 將爐內(nèi)充入大量氬氣，再抽至極限真空10Pa以下，如此反復(fù)幾次，以盡量減少爐內(nèi)雜質(zhì)氣體。

  c. 爐內(nèi)充入氬氣，使氣壓至15Pa左右，加陰極電壓至約800V，轟擊試樣表面約20分鐘，以達到清洗和活化試樣表面的目的。

  d. 調(diào)節(jié)源極電壓，使試樣升溫至工作氣溫后保溫進行表面滲鈦。

  e. 保溫結(jié)束后先關(guān)掉源極電壓，半小時后再關(guān)掉陰極電壓，再過1小時左右待試樣冷卻至室溫時關(guān)掉氬氣。

  2. 離子滲鈦工藝參數(shù)的確定

    等離子表面合金層是一種梯度材料，合金層的成分、厚度對耐磨性、耐蝕性及其它性能皆有影響。合金層中的合金元素含量及合金層厚度可以通過調(diào)整源極電壓、工件電壓、氣壓、溫度、保溫時間等工藝參數(shù)加以控制。

   a. 源極電壓的影響

    源極電壓是控制欲滲合金元素供給量大小的重要因素之一。在一定電壓范圍內(nèi)，源極濺射系數(shù)和源極電壓為線性關(guān)系，適當提高源極濺射能量有利于獲得較高活性的被濺射的合金元素粒子，因此，在一定能量范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能提高源極電壓。

   b. 工件電壓（陰極電壓）的影響

      等離子表面合金化技術(shù)中，工件電壓主要有兩方面的作用：使工件表面受到離子轟擊，清洗并活化工件表面，促進合金元素的吸收和擴散，同時使工件加熱。浙江至德鋼業(yè)有限公司技術(shù)人員實驗過程中，在316L不銹鋼管陰極濺射將會阻礙表面形成高濃度的合金元素，工件電壓過高，表面合金元素濃度將下降并產(chǎn)生過度濺射作用；工件電壓過低，表面合金元素濃度高，但離子轟擊的能量和密度小，對擴散的促進作用弱，不利于合金元素的吸收，易在工件表面形成沉積層，進而阻礙合金元素的進一步擴散。

   c. 極間距的影響

     從源極濺射出的合金元素原子并非全部能抵達工件表面。若將抵達工件的合金元素稱為有效供給量，該量與極間距成反比關(guān)系。隨著極間距加大，有效供給量減少，吸收量也隨之下降，因此在不影響工藝操作的前提下，極間距盡可能小一些。

   d.加熱溫度的影響 

    溫度是影響合金層的重要因素，隨著試件溫度的升高，擴散過程加速進行，增厚的速率愈大。

    e. 氣壓的影響

    氣壓是影響濺射和沉積強度的重要工藝參數(shù)。離子滲鈦時，氣壓影響輝光放電特性，氣壓高時，陰極鞘層短；氣壓低時，陰極鞘層長。

    f. 保溫時間的影響

    在其它工藝參數(shù)不變的條件下，一般來說，隨著時間的延長合金層厚度也隨之增厚，當保溫時間達到一定值后，合金層增厚的速度逐漸變慢。根據(jù)雙層輝光離子滲鍍技術(shù)已有的研究結(jié)果，結(jié)合本人的試驗經(jīng)驗，確定實驗工藝參數(shù)如下：源極電壓：-1000V，陰極電壓：-650V，氣壓：35Pa，極間距：15mm, 溫度：1000℃，保溫時間：3.5小時。