气体渗氮及后续回火工艺对2Cr13钢渗氮层的影响.doc

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1、气体渗氮及后续回火工艺对2Cr13钢渗氮层的影响　　摘要：利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、维氏显微硬度计、摩擦实验机、弯曲实验和浸泡腐蚀实验探究了气体渗氮工艺对2Cr13钢渗氮层的微观组织结构和性能的影响.结果表明：随渗氮温度、时间的增加，渗氮层的总厚度增加，但是表面疏松层也增加.500℃渗氮的扩散层组织主要由含有大量位错及位错胞的马氏体和高密度的纳米CrN析出相组成；纳米CrN析出相弥散分布在晶内和位错胞的界面上，位错胞界面上的CrN颗粒数量多且尺寸略大；板条马氏体晶界析出了εFe2-3N或者2N析出相.当渗氮温度

2、升高至550℃时，马氏体本身发生了回复，CrN以薄片形式析出，使扩散层组织呈现为由αFe和CrN组成的片状珠光体形态.2Cr13钢气体渗氮表面硬度随渗氮温度的升高先升高后下降，在500℃达到峰值硬度.450℃和500℃渗氮扩散层的硬度可高达1300HV0.1以上，但是随渗氮温度进一步升高而明显降低.500℃/5h气体渗氮可同时提高2Cr13钢的耐磨性和抗腐蚀性，但是其弯曲韧性降低.500℃渗氮的2Cr13钢试样，不管是水冷还是空冷，或者再进行420℃回火2h处理，其扩散层组织均没有大的改变，因此其硬度没有明显变化，均维持在

3、1000HV0.1以上.　　关键词：2Cr13钢；气体渗氮；硬度；CrN析出相；微观组织结构　　中图分类号：TG113；TG161；TG156.8文献标识码：A　　2Cr13不锈钢具有高强度及中等耐蚀性的特点，主要用于制造工作环境温度在450℃以下的汽轮机叶片、餐具和耐蚀刃具、齿轮及轴承等在腐蚀条件下对硬度和耐磨性要求较高并可承受高冲击载荷的零件[1].但由于2Cr13不锈钢含碳量较低致使工件表面硬度较低、耐磨性较差，制约了2Cr13不锈钢在工业生产上的应用.为了解决2Cr13钢材本身的缺陷，工业上往往通过对其进行表面强化

4、处理，使得工件表层获得较高的硬度和耐磨性.渗氮是工�I生产上应用得最为广泛的表面强化处理手段之一[2-15]，不锈钢经渗氮处理后表层形成具有高硬度的渗氮层[4-15]，可显著提高试样表面的耐磨性.　　对于不锈钢的渗氮处理通常采用离子渗氮技术.因为不锈钢易于在其表面形成一层致密的氧化膜，该氧化膜在离子渗氮过程中可以利用离子束轰击去除，而在气体渗氮过程中将会阻碍渗氮的进程，因此有关2Cr13不锈钢气体渗氮方面的文献较少.相对离子渗氮而言，气体渗氮处理具有工艺操作简单、无死角全方位表面渗氮、工业应用更广泛等特点[16-17]，因

5、此本文研究气体渗氮工艺对2Cr13不锈钢渗层组织和性能的影响.　　另外，文献[7，13]采用X射线衍射技术研究马氏体不锈钢渗氮层的相组成和演变规律，得出低温渗氮形成了N过饱和的αN相和εFe2-3N氮化物，使渗氮层的硬度、耐磨性得到大幅提升；升高渗氮温度，αN相逐渐转变为α相和CrN相，形成由α相、εFe2-3N相、γ′Fe4N相和CrN相组成的渗氮层，使得渗层的硬度下降.Xu等[4]采用透射电镜表征了奥氏体不锈钢渗氮扩散层的微观组织，提出CrN析出相形态类似于钢中的渗碳体，且与α基体保持KS或者NW关系.自文献[4]以后

6、，许多研究者将马氏体不锈钢渗氮层中片状组织都认定为片状CrN析出相.事实上，淬火态或者固溶态的马氏体不锈钢在渗氮前就应该存在板条马氏体组织，这种板条马氏体组织耐腐蚀性很好而不易被稀硝酸乙醇溶液腐蚀，当氮进入马氏体后会形成氮化物，尤其是在晶界上析出了氮化物，其周围出现贫Cr，这使得板条马氏体容易显示出来，因此在扫描电镜或者光学显微镜图像中的片条组织不一定是CrN.本文采用TEM研究了2Cr13钢不同温度渗氮试样的析出相，发现500℃渗氮扩散层中的CrN析出相主要为细小的纳米颗粒，550℃渗氮扩散层中的CrN析出相才连成大的薄

7、片状；500℃渗氮扩散层中板条马氏体界面上的析出相主要为六方晶体的εFe2-3N或者2N析出相.　　1实验材料及方法　　实验材料选用0.5mm厚和5mm厚的2Cr13马氏体不锈钢钢带和钢板，其初始状态均为固溶态，基体组织为马氏体组织，基体硬度为183HV0.5，其主要化学成分为：C0.15，Cr13.2，Mn0.95，Si0.96，P0.035，S0.027，Fe余量.进行气体渗氮前，先用2000#砂纸对基材进行打磨以去除不锈钢表面的氧化膜，然后用丙酮除油，最后依次用水、酒精清洗.　　实验试样置于管式电炉中进行纯氨气体渗氮

8、处理，采用质量流量仪控制氨气流量，氨气流量统一控制在190mL/min.本文渗氮温度依次设定为450℃，500℃，550℃，600℃，渗氮时间分别设定为5h，10h，20h，渗氮后的冷却方式采用水冷和空冷，对500℃/5h渗氮水冷试样进行420℃/2h的后续回火处理.实验试样命名方式及其渗氮工艺见表1.