林密，王為周，陸林森，顧開選，王俊杰

(1連云港遠洋流體裝卸設(shè)備有限公司，江蘇連云港，222062;2中國科學院理化技術(shù)研究所低溫工程學重點實驗室，北京，100190;3中國科學院研究生院，北京，100049)

0 前言

深冷處理是20世紀60年代末從普通冷處理(0℃～-100℃)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項材料處理技術(shù)，它是指將材料至于特定的可控低溫環(huán)境，按照一定的工藝進行降溫、保溫、升溫的過程。其起源于100多年前，瑞士的鐘表制造者將手表中的關(guān)鍵部件埋到阿爾卑斯雪山下保存一段時間，發(fā)現(xiàn)能夠提高零件的尺寸穩(wěn)定和和耐磨性從而提高零件使用壽命［1］。但直到20世紀中葉深冷處理技術(shù)一直未在工業(yè)中得到推廣，1965年美國首次將深冷處理實用化以后，深冷處理技術(shù)才開始引起全世界的關(guān)注。

研究結(jié)果表明深冷處理能夠有效提高金屬材料的硬度［2，3］、耐磨性［4］、抗拉性能［5］以及尺寸穩(wěn)定性［6，7］等性能。對于鋼鐵材料來說深冷處理的主要機理是殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;馬氏體基體上析出大量超細碳化物顆粒;降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力三個方面［8］。然而，對于奧氏體不銹鋼的深冷處理來說，國內(nèi)外的研究較少，盡管有學者研究了深冷處理對302不銹鋼耐腐蝕性的影響，其通過鹽霧試驗法對耐腐蝕進行檢測，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)深冷處理前后耐腐蝕性沒變化［9］。

文中主要針對1Cr18Ni9Ti不銹鋼餐具在一些污染較嚴重的地方存在生銹的情況，通過采用深冷處理改善其耐腐蝕性，得到了與文獻［9］完全不一樣的結(jié)論，研究發(fā)現(xiàn)深冷處理后1Cr18Ni9Ti不銹鋼耐腐蝕性得到很明顯的改善。通過深冷處理改善不銹鋼耐腐蝕性的研究是一個創(chuàng)新點，研究結(jié)果也表明深冷處理對于不銹鋼耐腐蝕性的研究有著重要的使用價值和學術(shù)價值。

1 實驗

實驗采用某公司生產(chǎn)的1Cr18Ni9Ti不銹鋼餐具作為研究對象，主要組成元素為鐵+18%鉻+8%鎳。其中包括勺子6把，刀、叉各4把，同一類餐具均出自同一批次，把以上三種餐具平均分成兩組，其中一組做深冷處理，另一組不做深冷處理，然后對兩組餐具同時進行人造氣氛鹽霧試驗，通過表面生銹情況來判斷不銹鋼餐具的耐腐蝕性。

深冷處理實驗采用如圖1所示的SLX-80程序控制深冷箱，該深冷箱以液氮作為制冷劑，液氮通過安裝在箱體一側(cè)的離心風機汽化以后和工件發(fā)生對流換熱，從而降低工件的溫度。該深冷箱能夠根據(jù)設(shè)定工藝曲線進行自動控制，控溫精度在±1℃以內(nèi)［10］。實現(xiàn)溫度控制的主要目的是為了避免由于降溫速率過快對工件造成冷沖擊從而使材料內(nèi)部應(yīng)力集中，嚴重時可能出現(xiàn)脆斷。此外，降溫速率、保溫時間以及最低處理溫度等工藝參數(shù)對深冷處理的效果都有著直接的影響［8］。因此，綜合考慮個參數(shù)的影響，實驗制定了如圖2所示的深冷處理工藝，其中升降溫速率均為2℃/min。

圖1 本實驗采用的深冷箱

圖2 深冷處理工藝曲線

鹽霧腐蝕試驗采用YWX/Q－150鹽霧腐蝕試驗箱進行，其中鹽霧腐蝕液采用濃度為50 g/L的鹽水溶液加草酸配制而成，PH值為3，工作室溫度為35℃，噴霧采用間歇式噴霧，間歇時間為30 s，壓縮空氣壓力為0.2 MPa，試樣與垂直方向成45°角傾斜放置，如圖3所示。鹽霧腐蝕試驗總運行時間為192 h，實驗結(jié)束后取出并觀察生銹情況。

圖3 鹽霧噴射腐蝕實驗

2 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)過192 h鹽霧腐蝕以后，部分餐具可以明顯的看到銹斑，如圖4所示，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，深冷處理前的不銹鋼餐刀出現(xiàn)了較多的銹斑圖4(a)，而深冷處理后的餐刀銹斑遠遠少于深冷處理前的，說明深冷處理能夠顯著提高不銹鋼餐刀的耐腐蝕性圖4(b)。此外，深冷處理前的叉子也出現(xiàn)了明顯的銹斑圖5(a)，而深冷處理后的叉子未出現(xiàn)生銹現(xiàn)象圖5(b)，勺子深冷處理前后鹽霧腐蝕效果不明顯，這是由于腐蝕時間不夠長，因此未能使勺子出現(xiàn)明顯的銹跡，如圖6所示。

圖4 餐刀表面腐蝕情況

圖5 餐叉表面腐蝕情況

圖6 餐叉表面腐蝕情況

不銹鋼是鉻和鉻鎳合金含量較高的合金鋼，影響不銹鋼耐腐蝕性的主要因素有材料的化學成分、組織、內(nèi)應(yīng)力以及其所處的環(huán)境介質(zhì)。鉻是奧氏體不銹鋼中最主要的合金元素，奧氏體不銹鋼的不銹性和耐蝕性的獲得主要是由于鉻促進了鋼的鈍化并使鋼保持穩(wěn)定鈍態(tài)的結(jié)果。在氧化介質(zhì)中，鉻能使不銹鋼表面迅速生成非常致密、穩(wěn)定的鈍化膜，這層膜被破壞后也能迅速修復(fù)，由此有效提高了材料的耐腐蝕。

深冷處理過程中，由于過冷度的存在使得晶格收縮，從而晶格間的吉布斯自由能降低，耐腐蝕性則會得到提高。此外，深冷處理過程中析出的彌散碳化物顆粒也會是不銹鋼的耐腐蝕性增加。有研究表明，深冷處理過程中所形成的碳化鉻對耐腐蝕性的提高有一定的貢獻［11］。深冷處理能夠使材料內(nèi)部的缺陷發(fā)生塑性流變，降低材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，這在一定程度上能夠提高材料抗應(yīng)力腐蝕的能力。

3 結(jié)論

深冷處理能夠有效改善1Cr18Ni9Ti不銹鋼餐具的耐腐蝕性，通過鹽霧腐蝕試驗?zāi)軌蚝苊黠@的看到深冷處理后餐具生銹減少，初步分析這主要是由于以下幾方面的原因所致：

1)深冷處理降低了奧氏體組織晶格間的吉布斯自由能，從而提高了耐腐蝕性;

2)深冷處理析出了部分彌散碳化物顆粒以及在基體表面形成了一些碳和鉻的化合物以致于提高了耐腐蝕性;

3)深冷處理降低或消除了材料內(nèi)部的缺陷和應(yīng)力，從而提高耐腐蝕性。

［1］ Kamody，DJ.Cryogenics process update［J］.Advanced Materials＆ Processes(USA)，1999，155(6)：67-69.

［2］Debdulal Das，Apurba Kishore Dutta，Kalyan Kumar Ray.Subzero treatments of AISI D2 steel：Part I.Microstructure and hardness［J］.Materials Science and Engineering A，2010，527(9)：2182-2193.

［3］Shaohong Li，Yinzi Xie，Xiaochun Wu.Hardness and toughness investigations of deep cryogenic treated cold work die steel［J］.Cryogenics，2010，50(2)：89-92.

［4］Debdulal Das，Apurba Kishore Dutta，Kalyan Kumar Ray.Subzero treatments of AISI D2 steel：Part II.Wear behavior［J］.Materials Science and Engineering A，2010，527(9)：2194–2206.

［5］Paolo Baldissera.Deep cryogenic treatment of AISI 302 stainless steel：Part I – Hardness and tensile properties［J］.Materials and Design，2010，31(10)：4725–4730.

［6］Cord Henrik Surberg，Paul Stratton，Klaus Lingenhole.The effect of some heat treatment parameters on the dimensional stability of AISI D2［J］.Cryogenics ，2008，48(2)：42-47.

［7］Junjie Wang，Xiaodai Xue1，Zhenqiang Yang.Effect of Cryogenic Treatments on Mechanical Properties of 2A11 Aluminum Alloy［J］. AdvancedMaterialsResearch， 2011， 147(10)：1646-1650.

［8］Simranpreet Singh Gill，Harpreet Singh，Rupinder Singh，Jagdev Singh.Cryoprocessing of cutting tool materials—a review［J］.Int J Adv Manuf Technol，2010，48(4)：175 –192.

［9］Paolo Baldissera，Cristiana Delprete.Deep cryogenic treatment of AISI 302 stainless steel：Part II– Fatigue and corrosion［J］.Materials and Design，2010，31(10)：4731–4737.

［10］張紅，王俊杰，郭嘉，王立民.SLX程序控制深冷箱及應(yīng)用研究［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2008，29(2)：70-73.

［11］JW.Lee，J.G.Duh and S.Y.Tsai.Corrosion resistance and microstructural evaluation of chromized coating process in dual phase Fe-Mn-Al-C alloy［J］.Surface and Coatings Technology，2002，153(1)：59-66.