不锈钢和镍基合金经常被用于腐蚀性环境中的许多应用。虽然耐腐蚀性能使其成为有利的选择，但摩擦学性能不佳可能会阻碍这些材料的广泛应用。Kolsterising® 工艺是一种通过碳扩散对这些材料进行表面硬化的成熟方法。本文旨在强调机械性能方面的典型改进，包括抗咬合、耐磨性和气蚀。不同寻常的是，由于该工艺的性质，这些性能的改善通常不会导致耐腐蚀性能的下降。我们将利用欧洲和北美的新数据和现有数据来展示这些性能的改善。
如果液体或气体介质和微粒接触到耐腐蚀材料的表面，就会有过早磨损的危险。此外，对于阀门中的含压部件来说，保持结构完整性至关重要，因为过早磨损和咬合会导致阀门失效或失灵。历史上曾使用过许多涂层和热处理工艺来解决这些问题。一种较新的技术是低温表面硬化工艺，可在恶劣环境中保护阀门部件。
奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢的优缺点众所周知，其耐腐蚀性、高韧性和非磁性等优点多年来一直被人们所利用。然而，低强度、低耐磨性以及易受点蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀等固有缺点使奥氏体不锈钢无法在某些应用中使用。
流程详情
Kolsterising® 工艺从未申请过专利，因此实际参数仍为Bodycote 专有。但基本细节如下
- 表面硬度通常可提高到 800 至 1200 HV0.05（相当于 65 至 72 HRc）
- Low temperature process (< 500ºC or < 932ºF)
- 碳大量扩散到表面（通常为 8-10 重量百分比）
- 在奥氏体不锈钢中形成 10 至 40 微米（0.0004 英寸至 0.00157 英寸）的扩散层
- 既能批量处理小零件，也能单独处理大零件
- 不会因低温而改变尺寸
要使该工艺最成功，就必须消除或至少减少δ-铁素体和变形马氏体的存在，见图 4。
机械测试程序
新计划
与位于伊利诺斯州斯科基市的Bodycote工厂共同设计了一套测试程序。样品材料是从当地的一家钢厂采购的，选择这些材料是为了保证其可用性，而不是为了获得最佳性能。该计划中使用的合金有 AISI 304、AISI 316 和双相合金 SAF 2205。材料被分成几批，一批用于参考（未处理），一批用于Kolsterising®。参考 Kolsterising®样品在处理前进行了真空固溶热处理。
机械性能和硬度
对这些样品进行了各种测试。下面显示的是更有意义的机械性能测试结果。疲劳强度通常会提高 10%至 100%，见图 5。
表面硬度对于提高抗磨损和抗咬合性能至关重要。Kolsterising® 有三种 "正常 "处理方法：33 微米、22 微米和双相。33 "和 "22 "指的是以微米为单位的公称表面深度。双相合金需要进行特殊处理，因为在处理温度过高时有脆化的危险。
应使用显微维氏或努氏方法测量表面硬度，最大载荷为 50gf。请参见图 6 中对标准 316L 固溶退火试样进行不同处理后的硬度曲线测量。
痛苦的抵抗
缺乏抗咬合能力一直是奥氏体不锈钢的一个严重缺陷，并被广泛报道。我们采用法维尔试验来评估每个样品的抗咬合能力。在该测试中，轴以 330rpm 的速度旋转，同时被一对夹钳夹住，夹钳的闭合力为 707 N。
氮化（图 8）和Kolsterising® （图 9）。
耐磨性
球-盘磨损试验。将一个直径为 5 毫米的氧化铝球以 20 牛顿的力压在一个旋转圆盘的圆柱表面上。旋转持续了 2.5 个多小时，在圆盘上留下了 500 米的连续磨损痕迹。测试在未经处理的 316L 材料和涂有Kolsterising® 的 316L 材料上进行。测试完成后，使用轮廓仪对样品进行了触觉测量。两个样品的表面轮廓如图 10 所示。未经处理的样品显示出较高的磨损量，而经过 Kolsterising® 处理的样品仅在表面显示出一定的嵌入。
摘要和结论
对于腐蚀性环境，奥氏体不锈钢和双相不锈钢通常是设计人员和用户的首选。然而，由于材料的摩擦学特性较弱，尤其是耐磨性较低，这给它们带来了特殊的挑战。
为了在保持基础材料延展性的同时提高机械性能，可以使用涂层或硬面。这种改善磨损的方法可能会有潜在风险，因为可能会出现剥落、涂层下的腐蚀问题或增加总成本的高返工率。
Kolsterising® 表面硬化技术是实现坚硬但仍具有延展性的表面的最佳解决方案，无需进行任何修改。由于高延展性与极高的压缩应力相关联，因此对于许多应用和不锈钢材料来说，磨损和咬合的影响可以大大降低。这在处理阀体和阀座等含压部件以及紧固件等其他阀门部件时至关重要。
通过研究新的和现有的机械测试数据，可以清楚地看出，使用Kolsterising® 工艺可以改善奥氏体不锈钢和镍基合金的某些关键机械性能。
- 表面硬度大幅提高，可达 800 至 1,200 HV0.05（相当于 65 至 72HRc）
- 耐腐蚀性能得以保持，甚至得到改善（无碳化物形成）
- 抗咬合能力大大提高
- 磨损性能提高
- 减少气蚀的影响
- 疲劳性能大幅提高
值得一提的是，由于处理温度较低，部件的尺寸和颜色不会发生变化，尖锐边缘、孔内、盲孔和间隙（小至几微米）的硬化也很均匀。
本文首发于《阀门世界》美洲版 - 2021 年 9 月