渗氮温度对奥氏体不锈钢性能的影响

1、材料热处理技术Material&HeatTreatment2010年5月热处理技术渗氮温度对奥氏体不锈钢性能的影响韦世良1,陈首部2,曾令宏1(1.广西柳州师范高等专科学校物理与信息科学系,广西柳州545004;2.中南民族大学等离子体研究所,湖北武汉430074)摘要：利用自行研制的直流脉冲离子渗氮设备对奥氏体不锈钢进行离子渗氮，采用显微硬度计、倒置金相显微镜等手段研究了渗氮温度对奥氏体不锈钢显微硬度、金相组织、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明，通过离子渗氮处理得到的渗层表面硬度均在1150HV0.05以上，耐磨性能提高45倍，低温离子渗氮在提高耐磨性能的同时保持其耐腐蚀性能基本

2、不变。关键词：渗氮温度；奥氏体不锈钢；离子渗氮中图分类号：TG156.8文献标识码：A文章编号：1001-3814(2010)10-0150-03EffectofNitridingTemperatureonPerformanceofAusteniticStainlessSteelWEIShiliang1,CHENShoubu2,ZENGLinghong1(1.DepartmentofPhysicsandInformationScience,LiuzhouTeachersCollege,Liuzhou545004,China;2.PlasmaResearchInstitute,SouthCent

3、erUniversityNationalities,Wuhan430074,China)Keywords：nitridingtemperature;austeniticstainlesssteel;ionnitriding不锈钢具有表面美观、耐腐蚀性能好、韧性好、容易塑性加工、焊接性能好等特性，广泛用于石油、化工、食品、医疗和纺织机械等行业。但由于不锈钢的硬度低、耐磨性差，使其在许多场合的应用受到限制，尤其是在腐蚀、磨损和重载等多种因素同时存在的条件下，显著缩短不锈钢零件的使用寿命1-3。通过离子渗氮提高不锈钢的表面强度，从而提高其耐磨性能来延长使用寿命是一种有效的方法4-6。奥氏体不锈钢不能

4、通过相变进行强化，而且常规离子渗氮由于渗氮温度高(500以上)，渗层中有高的同时表面耐腐蚀性能严重恶化，失去了不锈钢的特性7。本文利用自行研制的直流脉冲离子渗氮设备，对奥氏体不锈钢进行低温离子渗氮处理，在其耐腐蚀性基本保持不变的情况下提高其表面硬度，从而提高其耐磨性能，同时与常规渗氮温度下的离子渗氮处理试样进行比较。1实验材料及方法实验在自行研制的30kW直流脉冲离子渗氮炉1.1实验过程内进行。直流脉冲电源的参数为：电压01000V可调，占空比15%85%可调，频率1kHz。测温系统由红外测温仪IT-8测量。试样的材料为18Cr-12Ni-2.5Mo奥氏体不锈钢，其化学成分(质量分数，%)为：

5、Cr的氮化物析出，使基体贫铬，在表面硬度显著提收稿日期:2009-10-13基金项目:横向科研基金资助项目(HZY07012);柳州师范高等专科学校重点资助项目(LSZ2009A003)作者简介:韦世良(1974-),男,广西来宾人,讲师,硕士,主要从事材料0.06C，19.23Cr，11.26Ni，2.67Mo，1.86Mn，余为Fe；试样尺寸准24mm×10mm。实验前依次用水磨砂纸打磨试样，去油污，酒精清洗吹干，放到阴极盘的中150HotWorkingTechnology2010,Vol.39,No.10下半月出版央，抽真空到50Pa以下。实验分两组进行，一组采用低温离子渗氮方

6、法，即加NH3进行离子渗氮(记为S1)，保温温度为Material&HeatTreatment材料热处理技术缓，与低温离子渗氮相比，常规离子渗氮层的硬度梯度得到了较大的改善。图2为试样横截面渗层金相图，其中图2(a)为试样S1的横截面渗层金相图，图2(b)为S2的横截面渗层金相图，其渗层深度为65m。(a)S1450；另一组采用常规离子渗氮方法，即加NH3进行离子渗氮(记为S2)，保温温度为520。两组实验条件均为：在试样加热到保温温度前采用高电压低气压，加强离子溅射，去除不锈钢表面的钝化层；保温时气压为250300Pa，电压为650750V，占空比根据温度调整，保温时间均为4h，保温

7、结束后继续通NH3抽真空保护，自然冷却到室温后开炉，取出试样。1.2试样表征剖开处理后的试样，依次用水磨砂纸打磨横截面，金相砂纸打磨，抛光机抛光，再用腐蚀液腐蚀(腐蚀液配方为：CuCl22g、HCl10g、乙醇10g)。利用(b)S230mHX-1000型显微硬度计测量试样渗氮层横截面的硬度梯度；通过倒置金相显微镜ICM405表征试样的渗氮层形貌；耐磨试验是在立轴盘-销式摩擦磨损试验机MPX2000上进行；耐腐蚀试验是将试样置于0.5mol/LNaCl+0.3mol/LHCl的溶液中，室温(约30m25)下浸泡24h后，用TG328A分析天平称重，用失重率来评价耐腐蚀性能。图2渗氮层显微金相图

8、Fig.2Themicrographsofnitridedlayers2结果与讨论图1为试样S1、S2的渗氮层硬度梯度曲线。在离子渗氮过程中，保温之前采用高电压(1000V)、低气压(100120Pa)加强离子溅射去除试样表面的钝化层。通过加强离子溅射，可全方位、较均匀地摧毁不锈钢表面的原生钝化膜和再生钝化膜，活化金属表层和亚表层，使不锈钢表面晶格缺陷或位错密度增加，有利于N的吸附和扩散。由图1可以看出，低温离子渗氮，虽然表面也得到高的硬度，但是渗层浅，硬度梯度大。其原因是渗氮温度低，活性N离子少，N离子扩散系数关系式为8：2.1显微硬度和金相显微镜检测由于所得到的渗层比较薄，试验用小的载荷测

9、量准确，采用50g载荷，载荷时间为15s。S1的表面硬度为1180HV0.05，S2的表面硬度为1250HV0.05。从图1可以看出，试样S1、S2的表面硬度是基体的45倍。低温离子渗氮(450)得到的渗氮层硬度梯度大；而常规离子渗氮(520)硬度梯度较为平14001200硬度(HV0.05)D=D0e-Q/RT式中：D0和Q为N在Fe的不同相中扩散的常数。可知，扩散系数与温度密切相关，同时铬与氮元素之间具有很强的亲和力，也限制了氮的扩散，因此低温离子渗氮时得到的渗氮层薄。而当温度升高后，活性N离子多，N离了扩散加快，得到的渗氮层比较厚。从图2的渗氮层微观组织来看，试样S1的渗氮S2S1渗氮时

10、间4h距表面距离/m层经腐蚀液腐蚀后呈白亮色，没有看到明显的渗氮层；而试样S2的渗氮层经腐蚀液腐蚀后呈黑灰色。说明在450渗氮处理时渗层中没有铬的氮化物析图1渗氮层硬度梯度曲线Fig.1Themicrohardnessprofilesofnitridedlayers热加工工艺2010年第39卷第10期151材料热处理技术Material&HeatTreatment出，低温离子渗氮形成了过饱和奥氏体固溶体；而在2010年5月在表面硬度显著提高的同时表面耐腐蚀性能严重恶化。相关研究也表明9-10，通过离子渗氮对奥氏体不锈钢表面进行强化处理，渗氮温度是影响其耐腐蚀性能的关键因素，渗氮温度越高

11、，其耐腐蚀性能越低。520渗氮处理时有铬的氮化物析出。2.2渗氮温度对耐磨性能的影响图3为奥氏体不锈钢离子渗氮处理前后耐磨性能的对比图。实验所加载荷为10N，转速为80r/min，时间为15h。由图3可见，经过渗氮处理的奥氏体不锈钢其耐磨性能比未处理时提高了45倍。低温离子渗氮(S1)由于渗层浅，其耐磨性能比常规温度下的离子渗氮(S2)稍差。奥氏体不锈钢经离子渗氮后，由于其表面生成了CrN、Cr2N，而CrN比FeN的生成热高，因而更稳定，硬度也更高，耐磨性能得到了很大的提高。磨损量/×10-3mm33结论(1)采用低温和常规渗氮温度对奥氏体不锈钢进行离子渗氮，渗氮层的显微硬度均达到

12、1150HV0.05以上，低温离子渗氮得到的渗氮层较薄，硬度梯度大。(2)奥氏体不锈钢经过低温离子渗氮后，其耐磨性能提高45倍，而耐腐蚀性基本保持不变；常规渗氮温度下离子渗氮，虽然耐磨性能也提高45倍，但由于奥氏体不锈钢表面有铬的氮化物析出，使其耐腐蚀性能大幅度下降。参考文献：1张春红，张宁奥氏体不锈钢离子注入表面改性的研究J热加工工艺，2009，38(2)：79-81沈云亚提高不锈钢离子渗氮质量J机械工人(热加工)，12图3奥氏体不锈钢渗氮前后的磨损量23452002，(9)：53-54刘坤吉，王锡林，刘庆华，等不锈钢零件表面离子渗氮的研究与应用J金属热处理，2005，30(4)：55-58

13、龙发进，周祎，康光宇，等离子渗氮新技术的研究现状J热加工工艺，2007，36(6)：61-64Fig.3Theabrasionofausteniticstainlesssteelbeforeandafternitrided2.3渗氮温度对耐腐蚀性能的影响把经过离子渗氮处理和未处理的试样放入0.5mol/LNaCl+0.3mol/LHCl溶液中于室温(约25)下浸泡24h，可明显看到，浸泡经常规温度离子渗氮处理后试样的腐蚀液变为混浊。从腐蚀液中取出试样吹干后用分析天平称出它们的质量，与浸泡前的质量相比，未经渗氮处理、低温渗氮处理和常规温度渗氮处理试样的失重率分别为2.8×10-2、3.

14、0×10-2和6.5×BasuA，DuttaMajumdarJ，AlphonsaJ，etalCorrosionresistanceimprovementofhighcarbonlowalloysteelbyplasmanitridingJMaterialsLetters，2008，62(17-18)：3117-31206El-HossaryFM，NegmNZ，AbdEl-RahmanAM，etalDuplextreatmentof304AISIstainlesssteelusingrfplasmanitridingandcarbonitridingJMaterialsSci

15、enceandEngineering，2009，C29(4)：1167-117310mg/mm·h。未经渗氮处理的奥氏体不锈钢由于-227奚运涛，刘道新，韩栋，等低温离子渗氮提高2Cr13不锈钢的冲蚀磨损与冲刷腐蚀抗力J材料工程，2007，(11)：其表面形成了一层Cr的氧化膜(钝化层)而起到保护基体作用，因而耐腐蚀性好；低温离子渗氮后其耐腐蚀性基本不变，原因是其表面形成了过饱和奥氏体固溶体，没有铬的氮化物析出；而经520渗氮处理的奥氏体不锈钢其耐腐蚀性能有较大的下降，原因是Cr与N的亲和力比Fe与N的强，渗层中有大量Cr的氮化物(CrN、Cr2N)析出，使基体贫铬，9876-81周孝重，陈大凯等离子体热处理技术M北京：机械工业出版社，1990