T250鋼離子滲氮后的組織和性能

周鐘平，張小娟，白 鷺，余方印，閔永安

(1.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

馬氏體時(shí)效鋼是利用固溶后的時(shí)效處理，使金屬間化合物在超低碳的高鎳馬氏體中彌散析出而強(qiáng)化的一類(lèi)高合金超高強(qiáng)度鋼。由于具有高強(qiáng)度、高斷裂韌性、熱處理工藝簡(jiǎn)單、可焊性和冷、熱加工性能良好等優(yōu)點(diǎn)，馬氏體時(shí)效鋼廣泛應(yīng)用于航空、航天和精密模具等領(lǐng)域。T250鋼是一種無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼，由于不含鈷而使材料成本降低，其性能與含鈷的C250馬氏體時(shí)效鋼相當(dāng)(Rp0.2≥1725 MPa)[1-2]。馬氏體時(shí)效鋼由于含有大量Ni、Cr、Mo、V等合金元素，滲氮過(guò)程比較困難。在低溫下滲氮獲得的滲氮層較淺，而提高滲氮溫度又會(huì)產(chǎn)生過(guò)時(shí)效，降低基體性能。因此，馬氏體時(shí)效不銹鋼滲氮的最大的問(wèn)題是在相對(duì)較低的溫度范圍實(shí)現(xiàn)相當(dāng)深度的滲氮[3]。本文通過(guò)研究T250鋼的離子滲氮工藝，實(shí)現(xiàn)離子滲氮與時(shí)效工藝的結(jié)合，從而獲得高表面硬度和高基體強(qiáng)度的零件。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為T(mén)250鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 T250鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

用箱式電阻爐對(duì)原材料先進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為820 ℃×1 h，空冷。固溶后試樣硬度為31～32 HRC。固溶處理后機(jī)加工成滲氮試樣。

1.2.1 離子滲氮試驗(yàn)

影響離子滲氮質(zhì)量的主要參數(shù)有滲氮溫度、滲氮時(shí)間、氨氣流量、爐氣氣壓、電壓等，其中滲氮溫度和滲氮時(shí)間的影響最為顯著。本試驗(yàn)以滲氮的時(shí)間和溫度為主要參數(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究。滲氮試驗(yàn)使用某研究所研制的LDMC-75F-40R脈沖電源輝光離子氮化爐。相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 T250鋼離子滲氮參數(shù)

1.2.2 金相試驗(yàn)

T250鋼滲氮層的顯微組織采用Nikon LV150型正立式光學(xué)顯微鏡觀察。按照GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》對(duì)滲氮層進(jìn)行顯微組織評(píng)定，并從表面測(cè)至與基體有明顯界限為止，作為滲氮層總深度。

1.2.3 顯微硬度測(cè)試

采用MH-3型顯微硬度計(jì)，按照GB/T 11354—2005對(duì)T250鋼的滲氮層進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，并得出滲氮層深度。

老井在院子的西南角，比較偏僻，但柳紅嘩嘩的沖水聲卻特別醒耳，今天她是怎么啦，跟自己有仇似的，一桶桶井水往自己頭上倒。是的，柳紅今天太有仇了，她恨自己，恨自己沖洗不掉癩阿小抓過(guò)胸口的奇癢，沖洗不掉耳邊蘇秋琴的叫床聲，沖洗不掉小腹上公公壓過(guò)的硬梆梆的感覺(jué)……今天，有太多的人往她體內(nèi)塞了太多的東西，她不想要，她要把它們統(tǒng)統(tǒng)洗掉，但是，她不能夠，反被它們肆意地騷擾著。

用維氏硬度計(jì)從試樣表面測(cè)至比基體維氏硬度高50 HV0.3處的垂直距離為滲氮層深度，載荷砝碼300 g。根據(jù)測(cè)試得到的硬度值繪制出硬度梯度曲線，以觀察硬度分布情況。

1.2.4 物相測(cè)定

采用D/MAX-2550型X射線衍射儀分別對(duì)固溶態(tài)、滲氮后基體、滲氮化合物層、滲氮擴(kuò)散層進(jìn)行物相分析。試驗(yàn)采用CuKα(λCuKα=1.5406 ?)X射線入射，管電壓為40 kV，管電流為100 mA。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1 滲氮時(shí)間對(duì)滲氮層組織的影響

520 ℃離子滲氮6、12、24 h后T250馬氏體時(shí)效鋼橫截面的顯微組織如圖1所示。T250鋼的微觀組織是典型的板條狀馬氏體，由圖1可知，離子滲氮后的基體仍由板條狀馬氏體組成，氮原子主要以間隙原子的形式進(jìn)入馬氏體基體。T250鋼離子滲氮后橫截面的顯微組織由均勻致密連續(xù)的白亮化合物層、灰黑色的擴(kuò)散層和基體3部分組成，且三者間的分界線十分明顯?；衔飳拥哪透g性較強(qiáng)，呈白亮狀；擴(kuò)散層中氮化物析出，使氮化物與基體的相界面更易腐蝕，在顯微組織中顯示出較深顏色。

圖1 520 ℃離子滲氮不同時(shí)間后T250鋼橫截面的顯微組織

從截面顯微組織可以看出，T250馬氏體時(shí)效鋼滲氮后化合物層厚度大(大于20 μm)，擴(kuò)散層中基本不存在脈狀氮化物組織，且擴(kuò)散層與基體的分界線十分明顯。

按照GB/T 11354—2005對(duì)T250鋼的滲氮層進(jìn)行顯微組織評(píng)定，得出滲氮層深度。滲氮時(shí)間為6 h時(shí)，化合物層深度約22.7 μm，擴(kuò)散層深度約112.1 μm；滲氮時(shí)間為12 h時(shí)，化合物層深度約25.8 μm，擴(kuò)散層深度約145.4 μm；滲氮時(shí)間為24 h時(shí)，化合物層深度約36.4 μm，擴(kuò)散層深度約181.8 μm。隨著離子滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)，T250鋼的表面化合物層深度和擴(kuò)散層深度均逐漸增加，這是由于表面向擴(kuò)散層擴(kuò)散的氮原子大于擴(kuò)散層向基體擴(kuò)散的量，因此離子滲氮時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散進(jìn)入鋼內(nèi)部的氮原子數(shù)越多，化合物層和擴(kuò)散層就越厚。但化合物層深度和擴(kuò)散層深度并不會(huì)隨著滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)而無(wú)限增加，隨著滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)，氮在基體中的濃度會(huì)逐漸飽和，滲速變緩，同時(shí)由于氮與合金元素形成的氮化物相的粗化以及在晶界的偏聚，阻礙了氮元素的進(jìn)一步滲入。

滲氮溫度是滲氮中極為重要的工藝參數(shù)。溫度的高低影響著滲氮速度、滲氮層深度、表面硬度等。氨的分解率隨溫度的升高而增大，所以滲氮溫度越高，氨分解出的活性氮原子就越多，滲氮層深度隨之增加。但當(dāng)溫度升高到一定程度后，氮原子擴(kuò)散非?？欤衔飳映霈F(xiàn)減薄的現(xiàn)象。

T250鋼的時(shí)效峰值溫度在480 ℃左右。在不同溫度下(480、500、550 ℃)離子滲氮30 h后試樣橫截面的顯微組織如圖2所示?？梢钥闯觯?dāng)溫度由480 ℃升高到500 ℃時(shí)，化合物層深度和擴(kuò)散層深度均略有升高，而當(dāng)溫度升高至550 ℃時(shí)，化合物層深度明顯降低，總滲氮層深度明顯升高。

圖2 不同溫度離子滲氮30 h后T250鋼橫截面的顯微組織

對(duì)滲氮層進(jìn)行深度評(píng)定：滲氮溫度為480 ℃時(shí)，表面化合物層深度約41.3 μm，擴(kuò)散層深度約161.2 μm；滲氮溫度為500 ℃時(shí)，化合物層深度約44.0 μm，擴(kuò)散層深度約166.0 μm；滲氮溫度為550 ℃時(shí)，化合物層深度約22.5 μm，擴(kuò)散層深度約282.5 μm。

通過(guò)金相法測(cè)得滲氮層深度見(jiàn)表3。

表3 金相法測(cè)試得到的T250鋼的滲氮層深度

2.2 XRD物相分析

2.2.1 固溶態(tài)試樣和滲氮試樣基體的物相分析

T250鋼固溶態(tài)試樣表面的X射線衍射圖譜是從樣品表面測(cè)得，如圖3(a)所示；520 ℃離子滲氮12 h后試樣基體的X射線衍射譜是從樣品橫截面基體部分測(cè)得，如圖3(b)所示。由圖3(a)可知，T250鋼固溶態(tài)試樣圖譜中觀察到了鐵的衍射峰，此外，T250鋼經(jīng)固溶處理后基體中Ni、Ti的含量相對(duì)較高，且Al可在T250鋼中產(chǎn)生硬化，故基體中有Ni3(Al,Ti)相。由圖3(b)可知，T250鋼試樣經(jīng)520 ℃離子滲氮(時(shí)效)12 h后基體圖譜中除了顯示出馬氏體和Ni3(Al,Ti)的衍射峰外，還有Ni3Ti、Al3Ti相的存在。

圖3 T250鋼固溶態(tài)表面(a)和520 ℃離子滲氮12 h后基體(b)的XRD圖譜

由上述物相分析可知，固溶態(tài)T250鋼基體主要由板條馬氏體組成，并有少量Ni3(Al,Ti)第二相；而經(jīng)過(guò)離子滲氮(時(shí)效)后，T250鋼基體中除了馬氏體相和Ni3(Al,Ti)相外，還有Ni3Ti、Al3Ti相。離子滲氮后馬氏體基體相衍射強(qiáng)度急劇減弱。這是由于經(jīng)過(guò)12 h滲氮時(shí)效后，基體中Ni3(Al,Ti)、Ni3Ti、Al3Ti相大量析出，干擾了馬氏體相的衍射。Ni3(Al,Ti)相是T250馬氏體時(shí)效鋼的主要強(qiáng)化相。

2.2.2 滲氮試樣的化合物層與擴(kuò)散層物相分析

滲氮試樣表面化合物層的X射線衍射圖譜是從表面測(cè)得，如圖4(a)所示。擴(kuò)散層的X射線衍射譜是從樣品橫截面測(cè)得，如圖4(b)所示。由圖4(a)可知，520 ℃離子滲氮12 h后T250馬氏體時(shí)效鋼的化合物層圖譜中顯示出Fe3N、Fe4N的衍射峰。由圖4(b)可知，520 ℃離子滲氮12 h后T250馬氏體時(shí)效鋼的擴(kuò)散層中除了彌散分布著少量Fe3N、大量Fe4N外，還有Ni3(Al,Ti)相的存在。

圖4 520 ℃離子滲氮12 h后T250鋼中化合物層(a)和擴(kuò)散層(b)的XRD圖譜

由圖4可知，經(jīng)過(guò)520 ℃離子滲氮12 h后試樣化合物層和擴(kuò)散層圖譜中均顯示出Fe3N、Fe4N的衍射峰，且Fe4N的衍射峰強(qiáng)度均大于Fe3N衍射峰的強(qiáng)度。因此，在離子滲氮中形成的表面氮化物硬化層是Fe3N和Fe4N相?；衔飳又蠪e3N、Fe4N兩相的衍射強(qiáng)度大于擴(kuò)散層中Fe3N、Fe4N兩相的衍射強(qiáng)度，這是由于離子滲氮過(guò)程中，氮原子沿試樣表面從滲氮介質(zhì)向內(nèi)部滲入，氮在試樣表面與心部之間就會(huì)形成濃度差，從而促使氮原子不斷從表面向心部擴(kuò)散。

2.3 顯微硬度

T250鋼在520 ℃離子滲氮6、12、24 h后橫截面從表面到基體的顯微硬度梯度如圖5所示。T250鋼520 ℃離子滲氮12 h與6 h相比，試樣的表面硬度有所提高。離子滲氮24 h與6 h相比，試樣的表面硬度略有提高，而與離子滲氮12 h相比，試樣的表面硬度卻降低了。3種不同滲氮時(shí)間下，離子滲氮24 h后試樣的基體硬度最低。通過(guò)對(duì)比520 ℃不同時(shí)間離子滲氮試樣的滲氮層光學(xué)顯微組織(見(jiàn)圖1)，可以發(fā)現(xiàn)隨著離子滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)，材料內(nèi)部的析出相長(zhǎng)大、間距變大。滲氮24 h后可以看到比較明顯的析出相，基體組織發(fā)生過(guò)時(shí)效，導(dǎo)致試樣的硬度降低。

圖5 520 ℃離子滲氮不同時(shí)間后T250鋼橫截面的顯微硬度梯度

根據(jù)硬度梯度法從試樣表面測(cè)至比基體維氏硬度高50 HV0.3處的垂直距離為滲氮層深度。T250鋼在520 ℃離子滲氮不同時(shí)間的滲氮層深度見(jiàn)表4。

表4 硬度法測(cè)試得到的T250鋼的滲氮層深度

3 結(jié)論

1)T250鋼滲氮后具有化合物層厚、擴(kuò)散層無(wú)脈狀氮化物組織、擴(kuò)散層與基體邊界明顯的特性。

2)T250鋼采用520 ℃×12 h(氨氣流量200 mL/min)的滲氮工藝滲氮后，金相法檢測(cè)滲氮層深度約為171.2 μm；硬度法檢測(cè)表面硬度超過(guò)1000 HV0.3，滲氮層深度約為180.8 μm。