大口徑焊管具有良好的耐蝕性、優(yōu)良的韌性和可加工性能，在許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但耐摩擦磨損性能較差、抗疲勞性能低，嚴重影響了不銹鋼零部件的使用壽命。
試驗證明，大口徑焊管高溫滲氮后淬火，即在1050～1150℃的真空爐中使氮溶解在大口徑焊管的表層，然后快速冷卻下來，使氮化物來不及析出，從而可在大口徑焊管表面形成含氮固溶強化的奧氏體滲氮層。高氮表面處理后，不僅提高了大口徑焊管表面的強度、硬度和耐磨性，且心部仍保持固溶處理的組織和性能。因為這種滲氮層的晶格參數(shù)與γ相不同，被稱之為“S相”。在S相中，氮原子固溶于奧氏體晶格內(nèi)部，且抑制氮化鉻在晶界處析出，因此在不降低大口徑焊管耐蝕性能的前提下，顯著提高了大口徑焊管的表面硬度。由此發(fā)展起來的不銹鋼表面S相改性技術(shù)成為大口徑焊管表面處理技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。實驗證明，將含碳氣體代替氮氣引入離子處理的氣氛中，也能獲得一層類似于滲氮層的S相硬化層。
但是，傳統(tǒng)的滲氮、滲碳技術(shù)雖然提高了不銹鋼零件表面硬度、耐磨性和疲勞強度，但由于滲氮、滲碳溫度高，形成了氮化物和碳化物的沉淀相，犧牲了大口徑焊管的耐蝕性。同時，由于不銹鋼表面形成一層致密的氧化膜，阻礙了氮、碳原子的滲入擴散。這些因素嚴重地制約了不銹鋼滲氮、滲氮表面處理技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。
與傳統(tǒng)滲氮、滲碳技術(shù)不同，S相滲層技術(shù)是一種低溫滲氮/滲碳技術(shù)。例如低溫離子滲氮技術(shù)，將滲氮溫度降低*450℃以下，滲入的氮形成固溶奧氏體，顯著提高了大口徑焊管的硬度，同時抑制滲氮過程中鉻的氮化物析出，保持了大口徑焊管的耐腐蝕性能。低溫離子滲氮技術(shù)，可獲得幾十微米的單相含氮膨脹奧氏體相。低溫離子滲碳具有滲層均勻、韌性好、承載能力強、硬度梯度平緩、滲碳效率高等優(yōu)點。另據(jù)報道，通過對不銹鋼表面進行氟化處理，消除表面的氧化膜，同時在試樣表面形成氟化膜，這種氟化膜提高了活性氮的吸附和擴散滲入，可使不銹鋼的滲氮溫度降低到300℃。
滲氮大口徑焊管可提供一個較強的亞表層來支承干滑動時所形成的氧化膜，比未滲氮試樣能承受更高負荷。滲氮鋼的磨損是氧化磨損機制，而未滲氮鋼的磨損則是粘著和塑性變形機制。
大口徑焊管通過低溫滲氮/滲碳，獲得含氮/碳固溶飽和的擴散層，即S相滲層，不僅提高了不銹鋼表面硬度，而且還提高了不銹鋼的耐蝕性。例如，大口徑焊管在400℃、4h離子滲氮后，在5.5%NaCl溶液中的腐蝕電位提高了三倍，在3.5%的NaCl溶液中S相耐蝕性可以提高75%。低溫滲氮提高了大口徑焊管的耐蝕性，因此延長了不銹鋼零件的使用壽命，例如核反應(yīng)堆大口徑焊管控制棒處理后壽命由一年延長*三年以上。
