氣體比例對1Cr13馬氏體不銹鋼離子滲氮層性能的影響

童幸生，葉　威，王　晨（江漢大學　機電與建筑工程學院，湖北　武漢　430056）

氣體比例對1Cr13馬氏體不銹鋼離子滲氮層性能的影響

童幸生，葉威，王晨
（江漢大學機電與建筑工程學院，湖北武漢430056）

摘要：對1Cr13馬氏體不銹鋼在不同氣體氛圍下進行低溫離子滲氮處理，研究了不同滲氮氣體比例對滲層組織和性能的影響。結果表明：在氨氣與氬氣氣體比例為8∶1時，1Cr13不銹鋼低溫離子滲氮后得到的滲層的組織與性能最好，此時表面硬度為1 100 HV1，為基體硬度的4倍，且具有良好的梯度硬度，滲層厚度為85.7 μm。當氨氣與氬氣的氣體比例從4∶1提高到8∶1時，滲氮層硬度與厚度均提高，而氣體比例為12∶1與16∶1時，滲層厚度基本不變，但是不銹鋼表面形成的黑色物質(zhì)使?jié)B氮層表面硬度與滲層硬度出現(xiàn)不均勻性，當氣體比例為16∶1時，中心硬度降低到625.0 HV1，與邊緣硬度相差了450 HV1左右。

關鍵詞：1Cr13；不銹鋼；低溫；離子滲氮；組織性能

馬氏體不銹鋼是Cr含量在12％～18％范圍內(nèi)、含碳量在0.1％～1.0％范圍內(nèi)的低碳或高碳鋼。根據(jù)化學成分的差異，馬氏體不銹鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。馬氏體不銹鋼由于其較好的力學性能和耐腐蝕性能廣泛應用于制造汽輪機葉片等零件，但是由于其較差的硬度與耐磨性能限制了零件的使用壽命。離子滲氮作為一種表面改性技術，能夠有效提升零件表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。對于奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮，國內(nèi)外的研究已經(jīng)取得一定的成果［1-3］，但是對于馬氏體不銹鋼離子滲氮的研究尚不成熟，離子滲氮中有滲氮氣氛、溫度和保溫時間等工藝參數(shù)，目前關于溫度與保溫時間對馬氏體不銹鋼離子滲氮的影響已經(jīng)有大量的研究［4-6］，但是關于滲氮氣氛對于滲層組織以及性能影響的研究卻尚不多見，為此，作者研究了滲氮氣體比例對1Cr13馬氏體不銹鋼離子滲氮的影響。

1　材料與方法

實驗中采用的試樣是1Cr13馬氏體不銹鋼，為? 9 mm×15 mm的圓柱體，試樣經(jīng)過砂紙研磨成光滑表面后進行酒精超聲波清洗15 min，用熱吹風機吹干后放入滲氮爐進行滲氮處理。試驗在LDMC-20A雙輝光離子滲氮爐中進行，氨氣與氬氣的氣體比例分別控制在4∶1、8∶1、12∶1和16∶1，滲氮溫度為420℃，保溫時間為6 h。

用HVS-10顯微維氏硬度計測量試樣的硬度，加載力為9.8 N，加載時間為20 s。滲層表面硬度測量點選取在圓柱試樣圓形表面任意一條直徑上均勻分布的5個點，滲氮層硬度則測量至距離表面180 μm處。金相顯微鏡觀察滲層形貌，測量滲層厚度，實驗時試樣在360目與600目的水磨砂紙上粗磨，接著在1～6號金相砂紙上細磨，拋光后，用三氯化鐵、鹽酸混合溶液腐蝕后的試樣放到金相顯微鏡下觀察。采用CS350電化學工作站，電解池采用3電極體系，在腐蝕溶液為300 mL的3.5％的NaCl溶液中進行動電位掃描，掃描范圍從-400 mV到+400 mV，掃描速率為0.5 mV/s。采用日立新型高分辨場發(fā)射掃描電鏡SU8000進行離子滲氮后滲層能譜分析。

2　結果與討論

2.1對表面硬度的影響

圖1是1Cr13馬氏體不銹鋼在不同氣體比例滲氮后的表面硬度。由圖1可知，當氣體比例為4∶1或8∶1時，滲層表面硬度分布均勻，而氣體比例從4∶1變?yōu)?∶1后，滲層硬度增加，在這一階段增加滲氮氣體比例有利于提高表面滲層硬度，但是隨著滲氮氣體比例的繼續(xù)提高，發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面硬度出現(xiàn)不均勻性，即中心硬度低，邊緣硬度高的現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象隨著氣體比例的增加變得越來越明顯，氣體比例為8∶1時，圓柱中心硬度為1 251.4 HV1，與邊緣硬度1 131.7 HV1和1 273.2 HV1基本相同，但是當氣體比例為12∶1時，中心硬度為689.3 HV1，而到了16∶1時，硬度甚至到了625.0 HV1，與邊緣硬度相差450 HV1左右。

圖1　1Cr13不銹鋼在不同氣體比例滲氮后的表面硬度Fig.1 Surface hardness of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

2.2對滲氮層硬度的影響

圖2是1Cr13馬氏體不銹鋼在不同氣體比例滲氮后的滲層硬度，由圖2可知，當氣體比例為4∶1或8∶1時，滲層硬度變化趨勢基本一致，在20～70 μm處，滲層硬度基本保持不變，隨后硬度大幅度下降，在90 μm處降低為250 HV1，與基體組織的硬度一致。當氣體比例提高至12∶1時，在距離表面20 μm處，硬度較低，隨著滲層距離增加，硬度不斷上升，到50 μm處，硬度到達最大值，在70 μm處滲層硬度開始下降，與氣體比例為4∶1或8∶1時的滲層變化趨勢一致，當氣體比例為16∶1時，滲層硬度在20～50 μm處更小，也呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。

圖2　1Cr13不銹鋼在不同氣體比例滲氮后的滲層硬度Fig.2 Hardness of nitrided layer of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

2.3對滲層組織的影響

圖3是1Cr13馬氏體不銹鋼在氨氣與氬氣氣體比例分別為4∶1、8∶1、12∶1與16∶1時滲氮后的滲層組織，由圖3可知，隨著滲氮氣體比例增加，滲氮爐內(nèi)氮濃度增加，滲氮層厚度增加，氣體比例從4∶1增加8∶1時，滲氮層厚度增加20.9 μm，而到了12∶1與16∶1時，滲氮層厚度基本不變，增長趨勢趨于平穩(wěn)。

圖3　1Cr13不銹鋼在不同氣體比例滲氮后的深層組織Fig.3 Microstructure of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

2.4滲層能譜分析

圖4與表1是1Cr13不銹鋼在8∶1、12∶1和16∶1不同氣體比例滲氮后的能譜分析圖以及數(shù)據(jù)結果，可見隨著滲氮氣體比例的增加，N含量增加，同時氣體比例在12∶1和16∶1的離子滲氮后滲氮層Cr與Ni的含量均有極大的提高。

圖4　1Cr13不銹鋼在不同氣體比例滲氮后的能譜分析圖Fig.4 EDS analysis of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

表1　能譜分析結果Tab.1 Results of EDS analysis

3　討論

研究發(fā)現(xiàn)，氨氣與氬氣的氣體比例從4∶1增加到8∶1時，滲氮后的硬度、滲層厚度、耐腐蝕性能均有所提高，這是因為隨著氨氣比例的增加，爐內(nèi)氨氣含量增加，被電離的氮離子含量增加，這樣1Cr13試樣表面氮原子吸附率增加，有助于形成穩(wěn)定的分子基團，必然加速氮、鐵化合物的生成，同時也有助于基體表面吸附的分子通過擴散層向基體內(nèi)部擴散［7］，而能譜分析結果也表明隨著滲氮氣體比例的增加，滲層中氮元素含量增加。

但當繼續(xù)增加氣體比例時，滲層中氮元素含量繼續(xù)增加，此時滲氮層硬度出現(xiàn)不均勻性。這是因為滲層表面中心部位出現(xiàn)了黑色物質(zhì)，這種黑色層呈現(xiàn)圓形。隨著滲氮氣體比例的增加，黑色層直徑變大，顏色變得更黑。正是由于滲氮黑色層的出現(xiàn)，滲層硬度表現(xiàn)不均勻性。呂學飛等［8］研究發(fā)現(xiàn)表面黑色層是滲氮過程中產(chǎn)生的，由CrN、氮化鐵以及鉻與鐵的氧化物組成。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于隨著滲氮氣體比例的提高，通入的氨氣流量增加，離子滲氮爐的真空閥抽取氣體效率一定，使得爐內(nèi)壓強升高，氣體比例為4∶1、8∶1、12∶1與16∶1時的壓強分別為：92、100、115、130 Pa，壓強升高后使得輝光不均勻，在邊緣處輝光疊加，而中心部位輝光薄弱。在滲氮初期，離子濺射將不銹鋼表面的鈍化膜轟擊掉，在隨后的滲氮過程中，又沉積到試樣表面形成鐵的氧化物，同時不均勻的輝光也使得Cr析出，形成CrN。通過能譜分析可知，隨著氣體比例增加，滲層中Cr含量不斷增加，這一實驗結果也證明了Cr的析出與CrN的形成。

4　結論

1）低溫離子滲氮能夠有效提高1Cr13馬氏體不銹鋼的硬度，且適宜的滲氮氣體比例為8∶1，此時滲層硬度為1 100 HV1，為基體硬度的4倍以上，滲層厚度為85.7μm。

2）滲氮氣體比例顯著影響滲氮層性能，當氣體比例從4∶1提高到8∶1時，滲氮層N含量增加，滲氮過程中生成更多的氮化物，提高了滲氮層硬度與厚度，但是當氣體比例繼續(xù)提高時，不銹鋼表面生成的黑色物質(zhì)使表面硬度以及滲層硬度出現(xiàn)不均勻性。

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（責任編輯：陳曠）

Effect of Atmosphere Proportion on Performance of Plasma Nitrided Layer of 1Cr13 Martensitic Stainless Steel

TONG Xingsheng，YE Wei，WANG Chen
（School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Abstract：Samples of a 1Cr13 martensitic stainless steel were plasma nitrided at different atmosphere proportions.Effects of different atmosphere proportions on performance of plasma nitrided layer of martensitic stainless steel were studied.The results showed that 1Cr13 stainless steel obtained the best microstructure and properties of nitrided layer after low temperature plasma nitriding when the atmosphere proportion of ammonia and argon was 8∶1.The surface hardness was 1 100HV1which was four times of the untreated samples and had a good gradient.Besides，its thickness was 85.7μm.When the atmosphere proportion changed from 4∶1 to 8∶1，the hardness and thickness of nitrided layer were improved.The thickness almost remained the same when the proportions were 12∶1 and 16∶1，but the black substance formed on the surface of stainless steel made the hardness of surface and nitrided layer perform inhomogeneity.When the proportion was 16∶1，the central hardness declined to 625.0HV1，that was 450HV1lower than the hardness of the edge.

Keywords：1Cr13；stainless steel；low temperature；plasma nitriding；microstructure and property

作者簡介：童幸生（1956—），男，教授，碩士，研究方向：金屬材料熱處理及工藝。

收稿日期：2015 - 03 - 19

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.005

中圖分類號：TG142.7

文獻標志碼：A

文章編號：1673-0143（2015）03-0221-05