不锈钢多用于强化学腐蚀的工况下,在医药、食饮等民用加工业得到广泛的应用。但由于硬度低、耐磨性差,使其在许多场合应用受到限制。如在颗粒悬浮液中、零件处于相对摩擦工况时,耐磨性就成为突出矛盾。近20年来,离子渗氮技术的发展和完善为不锈钢表面硬化开创了重要的技术途径,离子渗氮已成为不锈钢、钛及其合金表面强化方法的较好选择。

       1、离子渗氮处理不锈钢的优点

       (1) 不锈钢表面通常由一层极薄极致密的钝化膜 (Cr2O3、Fe2O3、NiO等)所覆盖。这种钝化膜坚固稳定,具有很强的阻渗效应。在离子渗氮的工况下,由于等离子以高速能势连续轰击工件以及由此产生的溅射效应,可全方位、全过程地摧毁不锈钢表面的原生钝化膜和再生钝化膜,活化金属亚表层,从而利于氮的吸附和扩散。 
       (2)离子渗氮在保持较高表面硬度的同时,能够增大硬化层深度,从而获得更密实的渗氮层。密实的渗氮层是获得高耐磨性的前提,有研究证明,离子渗氮的零件比气体渗氮的零件耐磨性高 1倍,且渗层梯度平缓,与基体无明显界限,通常可在 500 ~550℃下进行,离子渗速是气体渗速的2倍。
       (3) 离子渗氮是在较低的温度和较快的速度下进行,故零件耐蚀性比气体渗氮要好,光洁度更好,渗氮后单面增量形变不大于 0.02mm,比气体渗氮小1倍,可作为精密件的最后一道加工工序。
       (4) 离子渗氮可采用遮盖法进行局部掩盖来实现零件局部表面渗氮,使未渗氮的不锈钢表面仍保持原有的耐蚀性。
       (5) 离子渗氮可较充分的控制渗层组织,可添加催渗剂提高渗氮效果。试验表明,采用丙酮、稀土元素、钛和多种活化剂共渗,渗速可提高 20%左右。 

        2、渗氮不锈钢的选材
        2.1　渗氮不锈钢分类渗氮不锈钢主要包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢与沉淀硬化型不锈钢 3类。其中马氏体系列的主要有    1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr5Mo、1Cr13Al与 2Cr13Mo等; 奥氏体系列的主要有: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti与 4Cr14Ni14W2Mo等;还有以 0Cr17Ni4Cu4Nb为代表的沉淀硬化型不锈钢系列,均有良好的渗氮硬化效果。另外,铁素体的Cr17、Cr17Ti及马氏体奥氏体的 15CrMoV等也有良好的渗氮效果。
        2.2　渗氮不锈钢的选材从可渗性好的角度出发,选用与氮亲合力强的多合金元素不锈钢有利于渗氮处理。首先这些元素可使基体组织在较高温下具有稳定性,因此可使零件在较高温度下进行渗氮,也使零件变形减小,渗氮时间缩短。有资料表明,钢中含有 0.6% ~1%钒,不但能细化晶粒,而且渗氮时在晶粒内部和晶粒边界析出分散的氮化物,消除铬钢在渗氮时沿晶粒边界的连续氮化物网,显著提高渗层的耐磨性和抗疲劳强度,适于精密零件保持高精度。 不锈钢中含钛对渗氮也有良好的影响,不但可以在高温下保持组织的稳定性,而且是渗氮的催渗剂。当钢中钛与碳比 (质量比 )为 6 5 ~9 5时,可使渗氮层硬度明显提高,含钛钢的渗氮温度可在600℃下进行,渗氮后可用于中等负荷、高摩擦和交变负荷下工作。合金元素可以在渗氮亚表面层形成细小弥散坚硬的氮化物骨架,如Cr2N,硬度可达1600HV;含Mo的合金钢,渗氮后形成氮碳化合物,硬度可达1800HV;Ti的渗氮物Ti2N、 TiN硬度为 1200 ~2000HV;V的渗氮物硬度可达 1900HV;含Al钢对渗氮效果更有独到之处。实践证明,马氏体不锈钢比奥氏体不锈钢更易渗氮处理。如 2Cr13 不锈钢离子渗氮 8h, 可形成0 .15mm的渗层和 700 ~800HV的硬度;而 1Cr18Ni9经离子渗氮 10h仅能形成 0 .08 ~0 .12mm的渗层,即使再延长时间,其后的渗速也很慢,可见在耐蚀性允许的情况下,为提高耐磨性 ,应优先考虑马氏体不锈钢可渗性好的优势。通常奥氏体不锈钢在渗氮过程中,因氮在其中的扩散系数远低于αFe,大量合金元素的存在(例如 1Cr18Ni9Ti含合金元素 30%左右,是 2Cr13的 2倍),它们将阻碍氮原子扩散过程的进行,因此可以获得较高表面硬度,而要获得较深渗层厚度就比较困难。 
      
       2.3　渗氮不锈钢的使用范围马氏体不锈钢中, 1Cr13、2Cr13、3Cr13在 30℃以下、弱腐蚀介质中(如盐水、某些低浓度有机酸、硝酸 )均有良好的耐蚀性,对海水、淡水、水蒸汽、空气等,也有足够的耐蚀性;Cr17、Cr17Ti可耐氧化性酸类,如一定温度和浓度的硝酸,以及大部分有机酸 (醋酸、蚁酸、乳酸、草酸除外 )和有机盐的水溶液;Cr17MoTi抗酸性更高,例如对有机酸(醋酸、果酸及其热酸 ),其耐蚀性甚至比 1Cr18Ni9还好。奥氏体不锈钢中,以1Cr18Ni9Ti为代表,通常用在强腐蚀介质中 ,特别是Cr18Ni12Mo2Ti,耐蚀性更好,多用在低浓度硫酸,沸腾磷酸、蚁酸、醋酸、尿素,制碱等行业,以及低分子环烷酸、低分子脂肪酸制作设备,用于食饮、医药业,产品更“ 绿化”。以上材料,经离子渗氮处理后,均可达到表面硬化效果,多用于离心泵的口环、轴保护套、叶轮、承磨环、柱塞泵的活塞、连杆套等,以及搅拌器下轴套、离心机推料盘、刮刀、以及高压阀座及阀杆等,使用寿命成倍增加。