Hastelloy C-276合金表面强化：离子碳氮共渗技术的创新与突破

Hastelloy C-276镍基合金：耐腐蚀性能卓越，离子碳氮共渗技术提升其表面性能

Hastelloy C-276是一种镍-钼-铬系镍基合金，被誉为现代金属材料中最耐腐蚀的一种。在苛刻的腐蚀环境中，它展现出了广泛的应用前景。尤其在石油化工行业中，由于大多数重要的石油化工产品在加工过程中涉及的介质和催化剂都具有较强的腐蚀性，因此，Hastelloy C-276成为了制造重要静设备、管件、高速泵及内件的理想选择。

摘要：

本文旨在探究温度对Hastelloy C-276镍基合金渗层显微组织、力学性能、摩擦磨损性能以及耐蚀性能的影响规律，以期获得硬度、耐磨性和耐蚀性均优的表面改性层。通过使用等离子碳氮共渗技术，在不同温度（395℃、425℃、455℃、485℃）下制备了表面改性层。结果表明，镍基合金C-276经离子碳氮共渗后，渗层厚度从6.5μm到20.0μm不等，且表面硬度较原始合金均有显著提高。

研究背景：

镍基耐蚀合金不仅具有优异的耐蚀性和热稳定性，还兼具高强度、高塑韧性等力学性能，以及良好的冶炼、铸造、冷/热变形、焊接和压力加工等成形性能。然而，在外加机械载荷下，镍基合金易发生严重磨损，导致高温下的磨损失效。为解决这一问题，近年来，许多学者基于离子渗氮工艺在不锈钢表面改性中取得了良好效果，并积极探索离子渗氮在镍基合金表面的应用。

尽管镍基合金的离子渗氮技术已取得一定进展，但渗氮所用温度过高容易导致镍基合金耐蚀性下降。因此，后续开发了低温渗氮技术，即在镍基合金表层生成膨胀奥氏体组织（S相），以在不降低合金耐蚀性的前提下大幅提升合金表面硬度和耐磨性。然而，研究发现，在不生成氮化物的情况下，离子氮化所获得的硬化层厚度很难超过10μm。采用低温离子碳氮共渗则可以获得更厚的S相层，且渗层厚度比低温离子渗氮提升50%以上。

研究内容：

本文以Hastelloy C-276为研究对象，通过离子碳氮共渗技术制备具有高硬度、良好耐磨性和耐蚀性的表层组织。对经过碳氮共渗后的试样进行了显微组织、力学性能、摩擦学性能的分析，以确定不同工艺条件对渗层组织及性能的影响规律。

结论：

1. 随着Hastelloy C-276等离子碳氮共渗温度的提高，活性N、C原子渗入试样表面，形成了S相碳氮共渗层，即氮和碳的膨胀奥氏体相。

2. 经12小时碳氮共渗处理后，395℃和425℃处理的试样渗层厚度分别为6.5μm和9.9μm；而455℃和485℃处理的试样渗层则由S相和CrN组成，析出层厚度和渗层总厚度分别为3.2μm和14.0μm，以及8.7μm和20.0μm。渗层总厚度随着处理温度的提高而增加。

3. 随着碳氮共渗温度的升高，试样表面硬度显著提高，约为基体的34倍。摩擦磨损实验表明，在较高的碳氮共渗处理温度（≥425℃）下，可形成高硬度的S相，使其拥有良好的耐磨性能。电化学检测结果表明，在395℃455℃碳氮共渗处理的镍基合金耐蚀性能有所提高；然而，在485℃下处理可造成基体贫Cr，导致耐蚀性降低。

综上所述，通过优化离子碳氮共渗工艺参数，可以显著提升Hastelloy C-276镍基合金的表面硬度和耐磨性能，同时保持良好的耐蚀性能。