不銹鋼管材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性、韌性和加工性能，廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域。不銹鋼管本身具有許多優(yōu)良的特點，應(yīng)用非常廣泛，但仍存在一些缺點。在碳含量高的情況下，不銹鋼管的耐晶間腐蝕性相對較差。在含有氯離子的溶液中，很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。在實際應(yīng)用中，硬度相對較低（200~250HV)、耐磨性差，特別是與摩擦部件摩擦，難以承受摩擦損傷、耐刮擦、摩擦磨損性能差，大大限制了不銹鋼管的應(yīng)用范圍，如何提高不銹鋼管的摩擦磨損性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，節(jié)約能源，一直是大多數(shù)研究不銹鋼管表面強(qiáng)化技術(shù)的研究者面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，提高不銹鋼管的硬度和耐磨性，科學(xué)家們進(jìn)行了大量的探索和研究。滲氮的目的是提高工件的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。通常，不銹鋼管的滲氮溫度為500~600℃，時間為25～50h滲層厚度可達(dá)0.1～0.3mm。但不銹鋼管滲氮后形成鉻氮化物，導(dǎo)致基體鉻含量降低，耐腐蝕性降低。
國外研究現(xiàn)狀
早在八十年代中期，Zhang和Bell等對不銹鋼管材料采用低溫離子滲氮技術(shù)，將離子滲氮溫度降低至≤450℃，氮滲透后形成固溶性奧氏體，獲得幾十微米的單相滲氮層，即含氮膨脹奧氏體相，顯著提高了奧氏體不銹鋼管的硬度，抑制了滲氮過程中鉻氮化物的沉淀，保持了不銹鋼管的耐腐蝕性。
日本關(guān)西大學(xué)Ichii等人通過研究獲得和Bell類似的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)含氮膨脹奧氏體相的晶格參數(shù)和γ’相和γ不同的相被稱為S階段。該階段由氮原子固溶于奧氏體晶格，抑制氮化鉻在晶體邊界位置的沉淀可以顯著提高奧氏體不銹鋼管的表面硬度，而不降低奧氏體不銹鋼管的耐腐蝕性。不銹鋼管表面S相改性技術(shù)是不銹鋼管表面處理應(yīng)用和理論研究的里程碑，引起了廣泛的研究和討論。
法國的Nitruvid公司發(fā)明了Nivox一系列低溫滲氮技術(shù)。Nivox滲氮可提高不銹鋼管的耐腐蝕性，延長不銹鋼管件的使用壽命，如核反應(yīng)堆奧氏體不銹鋼管控制棒（直徑9）.7mm，長4m)處理后的使用壽命從一年延長到三年以上。公司以不銹鋼管離子滲氮處理而聞名，并獲得多項專利技術(shù)。
Bochum Ruhr大學(xué)的Berns1993年，教授通過固溶滲氮工藝，即1100±50℃的真空爐中進(jìn)行滲氮，然后采用水冷等方式快速冷卻下來，使氮化物來不及析出，從而在不銹鋼管材料表面形成一層含氮固溶強(qiáng)化的奧氏體滲氮層。
日本的Air Water公司對不銹鋼管表面進(jìn)行氟化處理，在試樣的表面生成氟化膜，通過氟化消除了不銹鋼管表面的氧化膜。該膜提高了活性氮原子的吸附和擴(kuò)散進(jìn)入，使不銹鋼管可以在300℃滲氮大大降低了不銹鋼管的滲氮溫度，獲得了S鎳基合金材料的相滲層和滲氮。
Expanite公司的Christiansen和Somers報告了不銹鋼管低溫快速氣體滲氮和碳氮共滲技術(shù)。該技術(shù)可獲得膨脹奧氏體γN該相的氮固溶含量可達(dá)0.16wt%，相應(yīng)的晶格膨脹11%；報告AISI 316不銹鋼管氮碳共滲116.5h后滲層厚度20μm，420不銹鋼管氮化1.2h滲層厚度35μm[33]。還研究了不銹鋼管中的合金成分和應(yīng)力對應(yīng)N擴(kuò)散系數(shù)的影響，S-γN/C機(jī)械及其機(jī)械性能的相滲層。
德國Degussa公司開發(fā)了Tenifer工藝，中期法國HEF研究所又開發(fā)了Sursulf(硫氮碳共滲)工藝。該工藝的氮化處理溫度50~600℃，在大大提高材料表面硬度和耐磨性的同時，氮化物沉淀相在高溫下形成，導(dǎo)致耐腐蝕性降低。美國科林公司在上述工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了它QPQ技術(shù)降低了工件表面的粗糙度，進(jìn)一步提高了金屬表面的耐腐蝕性和耐磨性。
此外，Christiansen酸洗除氧化膜[32]法等。Baranowska通過陽極濺射[35、36]等方法獲得S相。Higashi也通過低溫鹽浴氮化獲得S相滲氮層[37]μm，膨脹型奧氏體固溶層原子濃度為25%。
國內(nèi)研究現(xiàn)狀
不銹鋼管在中國開展S大連理工大學(xué)、青島科技大學(xué)、大連海事大學(xué)離子滲氮、山東科技大學(xué)低溫氣體滲氮、成都工具研究所鹽浴滲氮。
雷明凱等采用等離子體源離子滲氮技術(shù)對1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼管滲氮，280℃和380℃在兩個溫度下，厚度分別為1.6μm和10.6μm，固溶氮原子最高濃度為25%N過飽和面心立方相(即S相層)。相層為2m/s等效正應(yīng)力0.2～2.8 MPa,高硬度(HK 0.1 N 2 200)承載能力高，耐磨壽命長。N奧氏體中的固溶強(qiáng)化提高了等離子體源離子滲氮奧氏體不銹鋼管的耐磨性；等離子體源滲氮技術(shù)采用450℃×6h在304L奧氏體不銹鋼管材料的表面厚度約為15μm的γN3.單相改性層.5%NaCl在溶液中，γΝ與未處理試樣相比，相改性層陽極極化曲線的自腐蝕電位提高了323 mV(SCE)，沒有明顯的點蝕擊穿過程，改性層更致密，提高了材料的耐腐蝕性；2Cr13馬氏體不銹鋼管表面經(jīng)過450℃滲氮4h，獲得了由ε-Fe 2-3 N相組成的厚度為10-12μm的改性層。表面最大硬度值為15.7GPa，改性層的摩擦系數(shù)通過球盤摩擦學(xué)實驗確定低于未滲氮樣品，耐磨性顯著提高，改性層為3.5%NaCl溶液中的陽極極化曲線表現(xiàn)為自鈍化-孔蝕擊穿，表明孔蝕性能顯著提高。