表面納米化與離子滲氮對304不銹鋼的影響

王引真，馮 雅，孫永興，馮 濤

(中國石油大學(xué)(華東) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580)

奧氏體不銹鋼具有很強(qiáng)的防銹、耐腐蝕性[1]和良好的可塑性、韌性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家具裝飾行業(yè)和食品醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域,但其較低的硬度和極差的耐摩擦磨損性能會導(dǎo)致設(shè)備因磨損而失效[2-3].奧氏體不銹鋼不能同時兼顧耐磨和耐腐蝕特性，使其使用范圍受到不小的影響[4].因此，迫切需要改善304不銹鋼的耐磨損性能.

優(yōu)化材料表面的組織結(jié)構(gòu)和性能可有效地提高零件的可靠性[5].近年來，常用的表面強(qiáng)化手段有壓力扭轉(zhuǎn)、等通道用擠壓和表面機(jī)械研磨(SMAT)等[6].王少杰等[7]對304不銹鋼采用SMAT與離子滲碳復(fù)合處理，發(fā)現(xiàn)處理后的材料組織內(nèi)部發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，滲層晶粒細(xì)化，材料的力學(xué)性能大為改善，復(fù)合處理也顯著提高了材料的耐磨性.盧柯課題組[8]利用SMAT和氣體滲氮復(fù)合技術(shù)對純鐵進(jìn)行表面處理，結(jié)果顯示，滲氮9 h后采用SMAT處理的材料滲氮層達(dá)10 μm，而未采用SMAT處理的相同材料滲氮效果不佳.該組成員也探究了SMAT與滲氮復(fù)合處理對304不銹鋼的影響，結(jié)果表明，材料的綜合機(jī)械性能得到提升[9]，得到了良好的效果.目前，對304不銹鋼進(jìn)行單一的納米化處理或者滲氮處理的工藝研究已經(jīng)比較純熟，但關(guān)于304不銹鋼表面納米化與離子滲氮復(fù)合工藝的探索相對較少.

本文首先采用超聲沖擊表面處理技術(shù)對304不銹鋼進(jìn)行表面納米化處理，隨后對納米化工件和未納米化工件同時進(jìn)行滲氮處理，研究納米化及滲氮工藝對304不銹鋼滲氮層的形貌、深度、硬度以及摩擦磨損性能的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣材料

試樣材料為304 奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分見表1.選用外徑102 mm、管厚6 mm、長度260 mm的奧氏體不銹鋼圓管，將其線切割成30 mm×10 mm×4 mm的長方體試樣，然后用水砂紙由粗至細(xì)將試樣打磨平整，隨后用酒精沖洗去污.

表1304奧氏體不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Chemical composition of 304 austenitic stainless steel (wt.%)

CSiMnCrNiMoTiFe0.050.81.517.59.50.0130.011Bal.

1.2 試樣制備

1.2.1 表面超聲處理

材料表面超聲處理采用HK30G型豪克能鏡面加工設(shè)備，輔助設(shè)備為30M70數(shù)控加工中心，加工過程中豪克能加工設(shè)備的沖擊裝置代替加工中心原普通刀具加工試樣.超聲沖擊頻率為27.2 kHz，電流0.8 A，預(yù)壓力0.3 MPa，進(jìn)給速度1 700 mm/min，步距 0.2 mm.

1.2.2 低溫離子滲氮處理

將未納米化的試樣和納米化的試樣同時放入LDMC-15A脈沖離子滲氮設(shè)備進(jìn)行滲氮.氮?dú)馀c氫氣的氣流量分別為40、120 mL/min，電壓800 V，占空比0.7，溫度450、400 ℃，保溫時間4、6 h，隨爐冷卻.為方便分析說明,將不同工藝參數(shù)處理的試樣標(biāo)號，如表2所示.

表2304奧氏體不銹鋼不同處理工藝的試樣編號

Table 2 Sample numbers of different processes of AISI 304 austenitic stainless steel

編號工 藝1#表面納米化2#滲氮(400 ℃、4 h)3#滲氮(400 ℃、6 h)4#滲氮(450 ℃、4 h)5#滲氮(450 ℃、6 h)6#表面納米化+滲氮(400 ℃、4 h)7#表面納米化+滲氮(400 ℃、6 h)8#表面納米化+滲氮(450 ℃、4 h)9#表面納米化+滲氮(450 ℃、6 h)

1.3 試樣表征

采用MDJ200 金相顯微鏡觀察組織形貌，選用Marble溶液(CuSO44 g，HCl 20 mL，H2O 20 mL)為腐蝕液；采用JXA-8230型電子探針EPMA觀察納米化對試樣表面的影響；通過EDS和WDS對滲氮層截面進(jìn)行元素分布及含量分析；使用MH-3 型顯微維氏硬度計測量硬度以及滲氮層深度，條件為試驗(yàn)力0.98 N，保荷15 s；在干摩擦條件下，采用M-2000A型磨損試驗(yàn)機(jī)考察基體與滲氮層的摩擦磨損性能，法向載荷50 N，轉(zhuǎn)速360 r/min，時間60 min，摩擦副為GCr15滾動軸承鋼，磨損實(shí)驗(yàn)前后使用精度為0.0001 g的FA2204B型電子天平測量樣品質(zhì)量，計算磨損量.

2 結(jié)果與討論

2.1 組織分析

2.1.1 表面納米化對試樣組織的影響

圖1為納米化前后304不銹鋼的表面顯微組織形貌，其中圖1(a)、(b)分別為母材和1#試樣的金相組織形貌，圖1(c)、(d)分別為母材和1#試樣經(jīng)電子探針掃描的組織形貌.由圖1(a)、(b)可見，表面納米化處理后晶粒尺寸明顯減小，晶粒數(shù)量明顯增多.這是因?yàn)楸砻婕{米化使材料表面產(chǎn)生塑性變形，形成孿晶組織，同時塑性變形也使得晶粒破碎，細(xì)化了晶粒，增加了晶粒數(shù)量.由圖1(c)、(d)可見，母材表面呈分散分布的犁溝，且朝向混亂.表面納米化處理使得材料表面比母材更平整，且犁溝分散均勻，朝同一方向分布.

圖1 納米化前后試樣表面顯微組織形貌

Fig.1 Cross sectional microstructures of the sample before and after surface nanocrystallization: (a) Metallographic structure of the base metal; (b) Metallographic structure of sample 1#; (c) Micro morphology of base metal; (d) Micro morphology of sample 1#

2.1.2 離子滲氮工藝參數(shù)對滲層組織的影響

圖2為不同滲氮工藝處理的滲層金相組織形貌.圖2(a)、(b)分別為 2#和4#試樣的滲層金相組織，可以明顯看出，當(dāng)滲氮時間相同時，450 ℃的白亮層比400 ℃時的厚，但存在較多的灰黑色物質(zhì).這是由于當(dāng)滲氮溫度升高時鉻元素的擴(kuò)散速率增加，并與氮原子形成CrN化合物.Cr是使不銹鋼擁有耐蝕性的主要元素，鉻含量的下降會使不銹鋼耐蝕性下降，當(dāng)被腐蝕劑腐蝕時，耐蝕性弱的區(qū)域就呈現(xiàn)出比基體更深的灰黑色.

圖2 不同滲氮工藝處理后的滲層金相組織

Fig.2 Metallographic structure of nitrided layer treated by different nitriding processes: (a) sample 2#; (b) sample 4#

圖3為4#試樣的表面經(jīng)電子探針掃描的組織形貌.試樣表面出現(xiàn)大量的點(diǎn)狀凸起.氮原子的滲入和擴(kuò)散致使周圍的Cr向表面擴(kuò)散，并與氮結(jié)合形成CrN；鉻是體心立方結(jié)構(gòu)，原子間隙較大，同時由于氮原子較小，所以， 氮會固溶于鉻形成固溶體.這些點(diǎn)狀凸起是離子滲氮后形成的氮化物或者是氮的固溶體.

圖3 4#試樣表面的微觀形貌

2.1.3 納米化與離子滲氮復(fù)合工藝對試樣組織的影響

圖4為6#試樣的滲層金相組織形貌.可見預(yù)先進(jìn)行表面納米化處理后的滲層組織出現(xiàn)了缺陷.這是由于在離子滲氮過程中，由于工件是陰極，會經(jīng)受氮?dú)潢栯x子的沖擊，從而形成刻蝕痕[10].

圖4 6#試樣滲層金相組織

Fig.4 Metallographic structure of the nitrided layer of sample 6#

圖5為9#試樣的表面經(jīng)電子探針掃描的組織形貌.對比圖3和圖5可見，復(fù)合處理的試樣表面比僅滲氮試樣有更明顯的點(diǎn)狀凸起，且呈直線間斷分布.這是因?yàn)榧{米化促進(jìn)氮擴(kuò)散，使材料表面的氮固溶物增加；納米化使材料表層形成朝同一方向分布的孿晶組織，氮在孿晶界的擴(kuò)散速率高，形成了近似呈直線分布的點(diǎn)狀凸起.

圖5 9#試樣表面的微觀形貌

2.2 硬度及滲氮深度分析

2.2.1 硬度分析

圖6為不同工藝處理后試樣的硬度梯度分布.母材硬度171.8 HV0.1，納米化后試樣表面硬度340.4 HV0.1.滲氮溫度對硬度的影響很大，450 ℃滲氮的表面硬度約是400 ℃的2倍，是基體硬度的5～6倍；保溫時間對硬度的影響較小，隨著保溫時間的延長，硬度增加緩慢；滲氮后的表面硬度隨距離的增加迅速下降，0.1 mm往后硬度變化曲線趨于與基體硬度持平；納米化后硬度在0.05～0.5 mm時高于未納米化50 HV0.1左右，納米化產(chǎn)生的加工硬化提高了基體硬度.

圖6 不同工藝處理后試樣的硬度梯度分布

Fig.6 Microhardness gradient distribution of the sample after different treatments

2.2.2 滲氮深度分析

圖7為不同滲氮工藝處理后的滲層深度分布.由圖7可知：溫度越高、保溫時間越長，滲層越厚；當(dāng)滲氮工藝參數(shù)相同時，納米化使?jié)B氮深度增加.溫度影響氮原子的擴(kuò)散速率，溫度越高，氮原子擴(kuò)散速率越大，滲氮層深度也就越高.氮擴(kuò)散需要時間，隨著時間的延長，氮擴(kuò)散更充分，因此滲層越厚.納米化使試樣表面產(chǎn)生塑性變形，晶粒得到細(xì)化，形成了很多孿晶、位錯等缺陷[11]，為氮的擴(kuò)散增加了額外的通道.此外，納米化導(dǎo)致材料進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變[12].因此，納米化試樣比未納米化試樣滲氮層更深.

圖7 不同滲氮工藝處理后的滲層深度分布

Fig.7 Depth distribution of the nitrided layer after different nitriding processes

2.3 摩擦磨損分析

圖8為不同工藝處理后的試樣磨損失重.由圖8可知:表面納米化后摩擦失重增加，試樣磨損量多于納米化，在此滲氮工藝下，未納米化試樣耐磨性低于納米化試樣；隨著滲氮溫度的升高，保溫時間的延長，磨損量越大.滲氮處理的試樣磨損量明顯小于未滲氮試樣，且400 ℃時比450 ℃耐磨性更好，這是因?yàn)楫?dāng)滲氮溫度較低時，材料表面會形成一層氮過飽和膨脹奧氏體，稱為S相，與未滲氮的母材相比，耐磨性顯著提高[13-14].

圖8 不同工藝處理后的試樣磨損失重

Fig.8 Weight lose of arburized sample after different process treatments

2.4 成分分析

圖9為4#滲氮試樣的滲層經(jīng)電子探針掃描的組織形貌，圖10為其選點(diǎn)的元素的能譜圖.

圖9 4#試樣滲層微觀形貌

圖10 選點(diǎn)元素能譜圖

表3為該點(diǎn)的元素含量，近似反映了滲氮層元素含量.滲氮層Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到69.88%，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.60%，而原始304不銹鋼的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為18%左右.表層富Cr嚴(yán)重將會導(dǎo)致材料表面的脆性增加[15].

表3 滲氮層元素含量

3 結(jié) 論

1)304不銹鋼經(jīng)表面納米化與離子滲氮復(fù)合處理后，溫度400 ℃時白亮層薄，且滲氮層較薄;溫度450 ℃時白亮層厚但呈灰黑色，且滲層較厚.保溫時間能增加滲氮層深度，但不明顯.表面納米化能夠使試樣在同種滲氮工藝下獲得更深的滲氮層.

2)滲氮溫度對304不銹鋼硬度的影響很大，溫度越高，獲得的硬度越高.保溫時間對硬度的影響較小，隨著保溫時間的延長，硬度有較小的提高；表面納米化能夠有效提高原始表面硬度以及滲后硬度.

3)滲氮溫度400 ℃、保溫4 h，304不銹鋼耐磨性最好.隨著溫度升高、保溫時間延長,其硬度增加，耐磨性下降.滲氮處理可能導(dǎo)致材料表面脆化.在本實(shí)驗(yàn)條件下,304不銹鋼最優(yōu)處理工藝為：預(yù)先表面納米化，滲氮溫度400 ℃,保溫時間4 h.