王鳳
摘? 要:該文對13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料進(jìn)行氣體滲氮,用金相顯微鏡觀察滲層氮化物組織形態(tài),用顯微硬度計(jì)檢測滲層表面硬度,研究滲氮溫度、滲氮時間、Kn值對滲層組織形態(tài)和表面硬度的影響。結(jié)果表明,滲氮工藝參數(shù)中,Kn值對滲層組織形態(tài)和表面硬度影響較大,當(dāng)滲氮溫度為600 ℃,Kn值降低到0.18,滲氮時間為8 h時,可獲得完整、致密的滲層氮化物組織和890 HV的表面硬度,并且隨著滲氮時間的延長,滲氮層厚度逐漸增加。
關(guān)鍵詞:滲氮;Kn值;滲層組織
中圖分類號:TG26? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0 引言
13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼具有較好的韌性和耐蝕性能,在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但其耐磨性較差,影響零件的使用壽命。滲氮是提高不銹鋼材料表面硬度時最廣泛使用的表面處理技術(shù)之一,其優(yōu)點(diǎn)是熱處理溫度低、畸變小,能顯著提高零件表面的耐磨性能,從而延長零件的使用壽命。
氣體滲氮的工作原理是利用氨氣在一定溫度下分解出活性氮原子,向不銹鋼材料表面滲入并擴(kuò)散形成高硬度的鐵氮化合物,而熱處理工藝參數(shù)對滲層組織形態(tài)及表面硬度等性能有很大影響,如滲氮溫度過高或滲氮時間過長或Kn值過高均會使?jié)B入的氮原子在晶界處大量聚集,當(dāng)內(nèi)外應(yīng)力過大時,形成的高氮化合物就會沿著晶界開裂,只有選擇合適的熱處理工藝參數(shù),才能獲得合格的滲層組織及所需性能。該文研究熱處理工藝參數(shù),如滲氮溫度、Kn值(氨分解率)和滲氮時間對13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼滲氮組織及性能的影響,以獲得合格的滲層氮化物組織和表面硬度。
1 試驗(yàn)材料與方法
該試驗(yàn)所用的材料為退火態(tài)的13Cr11Ni2W2MoV棒料,通過機(jī)械加工的方法加工試樣。試樣尺寸為φ10×20 mm,表面粗糙度為Ra 0.8 μm,數(shù)量為20個,將試樣刻號進(jìn)行區(qū)分。1)對所有試樣進(jìn)行固溶、時效處理。工藝參數(shù):固溶:1 000℃,保溫80 min,氬氣冷卻,時效:660 ℃,保溫100 min,氬氣冷卻。2)滲氮前在所有試樣表面液體噴砂去鈍化膜,工藝參數(shù):白剛玉150目,風(fēng)壓0.3 MPa,時間2 min,液體噴砂后試樣表面為均勻的灰色。3)選取8個試樣,每組2個,進(jìn)行不同溫度的滲氮處理,工藝參數(shù):滲氮溫度分別為540 ℃、560 ℃、580 ℃和600 ℃,保溫時間均為20 h,Kn值均為2.18。4)選取8個試樣,每組2個,進(jìn)行不同Kn值的滲氮處理,工藝參數(shù):滲氮溫度為600 ℃,保溫時間為8 h,Kn值分別為1.33、0.79、0.43、0.18。5)選取4個試樣,每組2個,進(jìn)行不同時間的滲氮處理,工藝參數(shù):滲氮溫度為600 ℃,Kn值為0.18,保溫時間分別為12 h、16 h。6)滲氮后的試樣用砂輪將表面的滲氮層全部打磨掉,用砂紙將其表面磨光后用拋光機(jī)將表面拋至光亮,然后用FeCl3+HCl溶液腐蝕表面,腐蝕后用金相顯微鏡觀察滲氮層的組織形態(tài),用顯微硬度計(jì)檢測滲氮層的表面硬度。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 滲氮溫度對滲層組織形態(tài)及性能的影響
如圖1所示,用金相顯微鏡在500X下觀看滲氮層的組織形態(tài)??梢钥吹皆诓煌臐B氮溫度下,滲氮層中的氮化物沿著晶界處均形成網(wǎng)狀并伴有開裂現(xiàn)象,而且滲氮層邊緣參差不齊、剝落嚴(yán)重。用顯微硬度計(jì)檢測滲氮層表面硬度,不同的滲氮溫度下,表面硬度值為1 000 HV~1 100 HV。
根據(jù)滲氮層組織形態(tài)及表面硬度結(jié)果進(jìn)行分析可知,滲氮層產(chǎn)生裂紋應(yīng)該有2個方面的原因。1) 滲氮過程中氮原子濃度過高,大量的氮原子滲入表面,快速地在晶界處聚集,形成的氮化物導(dǎo)致晶界處應(yīng)力過大,從而使?jié)B層組織開裂。2)滲氮時間過長,在滲氮環(huán)境下,氮原子不斷地滲入表面,同樣導(dǎo)致晶界處應(yīng)力過大,從而使?jié)B氮層組織開裂。因此滲氮熱處理工藝參數(shù)調(diào)整的方向?yàn)樘岣邼B氮溫度,縮短滲氮時間,降低Kn值,以此來改善滲氮層組織形態(tài)。
2.2 Kn值對滲層組織形態(tài)及性能的影響
如圖2所示,用金相顯微鏡在500X下觀看滲氮層的組織形態(tài)??梢钥吹?,當(dāng)Kn值為1.33和0.79時,滲氮層中氮化物沿著晶界處仍有開裂現(xiàn)象,但滲氮層開裂及邊緣剝落的嚴(yán)重程度已有所好轉(zhuǎn);當(dāng)Kn值為0.43時,滲氮層中氮化物無開裂現(xiàn)象,但滲氮層邊緣處有少許剝落,其滲層深度約為0.19 mm,表面硬度約為920 HV;當(dāng)Kn值降到0.18時,滲氮層中氮化物無開裂現(xiàn)象并且邊緣完整無剝落,其滲層深度約為0.07 mm,表面硬度約為890 HV。
根據(jù)滲氮層組織形態(tài)及表面硬度結(jié)果進(jìn)行分析可知,提高滲氮溫度,縮短滲氮時間,降低Kn值,可明顯改善滲氮層的組織形態(tài)并降低滲氮層脆性,并且隨著Kn值的不斷降低,滲層中氮化物形態(tài)致密、滲層邊緣完整,無開裂及剝落現(xiàn)象。說明13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料在滲氮時對Kn值特別敏感,只有嚴(yán)格控制氮原子濃度才能獲得合格的滲層組織。
2.3 滲氮時間對滲層組織形態(tài)及性能的影響
如圖3所示,用金相顯微鏡在100X下觀看滲氮層的組織形態(tài)。可以看到當(dāng)滲氮溫度為600 ℃,Kn值為0.18,滲氮時間為12 h時,滲氮層深度約為0.12 mm,表面硬度約為875HV。當(dāng)滲氮溫度為600 ℃,Kn值為0.18,滲氮時間為16 h時,滲氮層深度約為0.26 mm,表面硬度約為870HV。對滲氮層組織形態(tài)及表面硬度結(jié)果進(jìn)行分析可知,增加滲氮時間,滲氮層深度隨之增加,并且滲氮層中的氮化物形態(tài)致密、滲層邊緣完整,無開裂及剝落現(xiàn)象,說明延長滲氮時間不會改變滲氮層的組織形態(tài)和滲氮層脆性。
3 結(jié)語
熱處理工藝參數(shù)對滲氮層組織形態(tài)及性能有很大影響,只有選擇合適的熱處理工藝參數(shù)才能獲得合格的滲層組織及性能。通過調(diào)整滲氮溫度、Kn值及滲氮時間,13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料滲氮時可獲得滲層組織形態(tài)致密、邊緣完整無剝落的滲氮層組織。其中,當(dāng)滲氮溫度為600℃,Kn值為0.18,滲氮時間為8 h時,滲氮層深度約為0.07 mm,表面硬度約為890HV。并且隨著滲氮時間的延長,滲氮層深度逐漸增加,滲氮層組織形態(tài)和表面硬度不變。
參考文獻(xiàn)
[1]賀瑞軍,孫楓,王琳,等.馬氏體時效不銹鋼的離子滲氮[J].金屬熱處理, v.41;No.465(5):135-138.
[2]胡蓉.影響滲氮質(zhì)量的工藝參數(shù)[J].裝備制造技術(shù),2015(9):88-90.
[3]程東,高原,唐光輝.滲氮溫度對3Cr13不銹鋼表面離子滲氮層組織和性能的影響[J].機(jī)械工程材料,2009,33(7):19-21.