AISI316L不銹鋼攪齒應用于濕法造粒機中，通過快速均勻的攪拌使物料與添加劑、水等充分均勻的混合，并借助這種攪拌力形成了顆粒。這就要求攪齒具有一定的剛性，其表面具有較強耐磨性。采用表面氮化技術可以有效的對其表面進行強化，顯著提表面高耐磨性能，達到工作技術要求。但是其中一批攪齒在氮化后有氧化現象，安裝時出現銹蝕跡象。為了找出攪齒失效的原因，從原材料、熱處理工藝、金相組織、顯微硬度等方面進行了分析研究，探討了氧化生銹的原因和解決措施。

1.技術要求和樣品描述

攪齒技術要求： AISI 316L不銹鋼攪齒其成分。攪齒采用滲氮熱處理工藝，要求氮化層深度≥0.03mm，表面硬度≥1000HV。

樣品描述：攪齒為長約100mm的圓棒狀，一端為螺紋區，另一端為工作區，也是主要的磨損區。原材料為固溶處理，經滲氮處理取樣后發現表面有氧化現象（見圖1a），螺紋和光滑面交界處氧化尤為明顯。其表面硬度檢測結果為430HV0.05，使用過后有明顯的銹跡（見圖1b）。

2.鈍化膜檢測分析

配制5%CuSO4溶液，將濾紙浸泡在溶液中3~5s，然后將濾紙壓在樣品表面，等待6min后揭下濾紙觀察到變為紅色。原因是在樣品表面發生了置換反應：

CuSO4+Fe=FeSO4+Cu

不銹鋼表面的自由態Fe將CuSO4溶液中的Cu置換出來。滲氮后會在表面形成氮化物，這些氮化物的會隔絕自由態的Fe，阻礙置換反應發生；正常不銹鋼Cr元素含量較高，在空氣中與氧反應會生成一層致密的Cr2O3鈍化膜，這層鈍化膜也會阻礙置換反應發生，由此可以確定其表面未形成一定厚度的氮化物，也未形成鈍化膜或鈍化膜不完整。

3.微觀組織分析

使用王水對不銹鋼進行腐蝕，其結果如圖2所示。未發現氮化層，結合其氮化后表面氧化現象，事后氨氣成分檢測，發現其水分嚴重超標。其原因是在加熱保溫過程中，氨氣中的水分先將攪齒表面氧化，形成氧化層，阻礙了氮原子的滲入，未達到強化效果。

對AISI 316L攪齒樣品剖面進行EDS Cr元素線掃描分析（見圖3），結果表明攪齒表面Cr含量比基體材料要低，即表面存在貧鉻區，約17.33μm。不銹鋼之所以耐腐蝕性能好就是因為其含Cr量高，既可以自然鈍化也可以人工鈍化。保證不銹鋼具有良好鈍化性能最低Cr的質量分數為12.7%，Cr含量低于此值其鈍化性能性就會大大降低，耐蝕性也會隨之降低。AISI 316L攪齒表面未形成氮化層和鈍化膜是導致攪齒在安裝過程中生銹的主要原因。

攪齒金相組織為奧氏體、鐵素體和碳化物顆粒，其中有大量的鐵素體-珠光體帶狀組織，這是主要是成分偏析和加工不當造成的。成分偏析是鋼形成帶狀組織的根本原因，Mn、Cr、Ni等會使鐵素體析出溫度降低，增加奧氏體的穩定性，在冷卻時鐵素體優先在合金元素貧化帶析出，熱軋冷卻時碳原子擴散充分，奧氏體會轉變成珠光體組織，從而形成不銹鋼中的鐵素體-珠光體帶狀組織。帶狀組織是一種對材料性能有害的缺陷組織，會影響材料的組織、晶粒度以及成分均勻性，在實際生產中應盡可能的避免。攪齒雖然經過固溶處理，但是未能達到減少鐵素體含量和讓碳化物顆粒溶解，冷卻后形成單一的奧氏體相的目的，因此其固溶處理是不充分。

4.氮化驗證試驗

基于在熱處理過程中出現表面貧鉻，使用過程中出現生銹情況。對攪齒進行補救措施實驗既對樣品進行再次氮化，采用530℃×10h氣體滲氮，氨氣分解率30%~40%，檢測金相組織和顯微硬度（見圖4）。

滲氮樣品驗證檢測可知，滲氮層現分層現象，表層為白亮色，次表層顏色偏黑（見圖4a）。其原因是表層單一的Fe的氮化物耐蝕性能要比次表層Cr、Fe氮化物混合相要強，再者大量的帶狀組織會降低其耐蝕性，所以腐蝕后表面呈現白亮色，次表面偏黑色。說明樣品再次滲氮后其表面仍然存在貧鉻現象。硬度曲線（圖4b）表明其表面硬度明顯低于次表面（滲氮層）的硬度，氮化層中Fe的氮化物硬度值要比次表層Cr的氮化物硬度值低，導致硬度曲線呈非梯度型。正常AISI 316L不銹鋼氮化后表面硬度在1400HV0.05以上，且Cr的氮化物是提高表面硬度的主要原因，Cr含量不足，會使硬度值大大降低。再次氮化的攪齒表面硬度值偏低，在使用前需要對其進行機械磨磨屑，除去表層貧鉻區17.33μm。

結合對攪齒金相、顯微硬度、電子探針和成分分析可知，工廠滲氮時因氨氣水分含量超標，在加熱過程中形成氧化膜，阻礙了氮原子的滲入。同時，在加熱保溫過程中Cr原子向表層擴散，導致表層Cr元素的流失，表面形成貧Cr層。沒有鈍化膜和氮化層的不銹鋼在安裝使用過程中，受到大氣侵蝕在表面出現生銹現象。

5.結語

1.原材料質量控制，充分固溶處理，提高AISI316L組織的均勻性。

2.滲氮過程質量控制，對氨氣進行純化，控制氨氣中水分含量。

3.失效攪齒補救措施，一種是對其表面進行機械磨削，除去表層的貧鉻區，固溶后再次進行氮化處理；另一種方法是先充分固溶，使表面鉻均勻化，再進行氮化處理。