離子滲氮對(duì)304不銹鋼組織和性能的影響

牛 毅， 賀占胥， 王明利， 張 杰,， 牛文朋， 劉貫軍

(1. 河南科技學(xué)院 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453600；2. 新鄉(xiāng)市高服機(jī)械股份有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453700；3. 河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453003)

旋振篩機(jī)在各行業(yè)物料篩分中有廣泛應(yīng)用。在化工、食品和醫(yī)藥等行業(yè)，由于人們對(duì)原料(如鋰能電池的正、負(fù)極材料)的純潔度要求較高，在篩分過(guò)程中，自然對(duì)物料所接觸到的篩機(jī)零部件的耐磨性和耐蝕性提出了更高的要求。目前，旋振篩機(jī)相關(guān)零部件材質(zhì)多為304和316L不銹鋼，這對(duì)于普通物料來(lái)說(shuō)已經(jīng)夠用，但對(duì)于如鋰能電池的正、負(fù)極材料來(lái)說(shuō)，為了減少磨屑和反應(yīng)生成物的混入，提高電池材料純凈度，希望篩機(jī)相關(guān)零部件有更高的耐磨性和耐腐蝕性。

離子滲氮是一種很有效的表面強(qiáng)化手段，它通過(guò)滲入零件表層中的氮原子與合金材料中的某些原子結(jié)合形成硬度或強(qiáng)度很高的強(qiáng)化相從而使零件獲得很高的耐磨性[1-5]。近年來(lái)，人們對(duì)不銹鋼材料的離子滲氮處理也進(jìn)行了不同程度的研究[6-14]，潘向南等[6]研究了表面納米化對(duì)304不銹鋼滲氮的影響，結(jié)果表明，表面納米化既可以提高滲氮效率，又可以提高材料的硬度和耐磨性。吳夢(mèng)澤、王亮和蘭曄峰等[9,12-13]進(jìn)行了低溫離子滲氮對(duì)不銹鋼硬度和耐磨性的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)滲氮溫度低于450 ℃時(shí)，滲層組織中不會(huì)或很少有CrN形成，這樣雖然降低了滲氮層的硬度，但卻使其強(qiáng)度和韌性有了較大提高。吳夢(mèng)澤等[7,9]還研究了不同氮?dú)浔群偷蛪籂顟B(tài)等工藝條件對(duì)不銹鋼滲層性能的影響，研究顯示，氮?dú)浔仍酱螅x子滲氮時(shí)滲層的深度越大，滲層硬度也越大。

本文主要針對(duì)使用旋振篩機(jī)篩分鋰能電池的正、負(fù)極材料時(shí)，如何提高篩機(jī)上的304不銹鋼網(wǎng)架和篩網(wǎng)邊框使用壽命的問(wèn)題進(jìn)行了研究。鑒于負(fù)極材料(石墨)屬于化學(xué)中性，正極材料(如LiFePO4、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.5Mn1.5O4等)多數(shù)為化學(xué)堿性的情況[15-18]，本文采用相對(duì)較高的滲氮溫度(520 ℃)，對(duì)304不銹鋼試樣進(jìn)行了離子滲氮處理，并對(duì)滲氮層的性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究所用試塊材料與旋振篩上之網(wǎng)架和篩網(wǎng)邊框所用材料完全一樣，均為304不銹鋼薄板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。試塊尺寸為40 mm×25 mm×2 mm。

表1 304不銹鋼試塊的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

1.2 試驗(yàn)方法

離子滲氮所用爐子為L(zhǎng)DMC-30F型脈沖真空輝光離子氮化爐。滲氮溫度為520 ℃，爐壓為200 Pa，氨氣流量300 mL/min，滲氮時(shí)間分別為12、24、36和48 h。

滲氮結(jié)束后，首先用LEICA DMi8 M型光學(xué)顯微鏡和VMH-002V型顯微硬度計(jì)對(duì)試塊滲氮層截面進(jìn)行觀察和硬度測(cè)試(載荷砝碼依情況分別用50 g和300 g，加載時(shí)間為15 s)，用MS-T3000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)滲氮前后試樣的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，用D8 Advance型X射線衍射儀進(jìn)行滲氮層物相分析，用CHI660e型電化學(xué)工作站對(duì)滲氮前后試樣進(jìn)行了電化學(xué)分析(飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極，工作電極尺寸為10 mm×10 mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 離子滲氮對(duì)滲氮層深度的影響

圖1為304不銹鋼滲氮層的深度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖1可以看出，雖然滲氮層深度隨滲氮時(shí)間的增加而增加，但二者并非線性關(guān)系，滲氮層深度的增加速度會(huì)隨著滲氮時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變慢。這是因?yàn)?04不銹鋼中Cr和Ni的含量比較高，對(duì)N原子的擴(kuò)散阻力比較大，而且深度越大，由于N原子的密度越小，其總體擴(kuò)散動(dòng)能就越小，只有當(dāng)N原子密度增大到一定程度后才能向前推進(jìn)。二者綜合作用不僅導(dǎo)致N原子的擴(kuò)散速度越來(lái)越慢，還使擴(kuò)散層變得很薄，甚至在顯微鏡下都難以觀測(cè)。

圖1 304不銹鋼滲氮層深度與滲氮時(shí)間的關(guān)系

圖2為滲氮層在光學(xué)顯微鏡下的結(jié)構(gòu)形貌，顯然，與其它滲氮鋼如38CrMoAl鋼[19-20]的擴(kuò)散層硬度由外及里明顯逐漸減小相比，304不銹鋼不管滲氮時(shí)間多長(zhǎng)，均看不出明顯的擴(kuò)散層。

圖2 304不銹鋼滲氮不同時(shí)間后的滲氮層結(jié)構(gòu)

2.2 離子滲氮對(duì)滲氮層硬度的影響

圖3為304不銹鋼經(jīng)過(guò)48 h滲氮后的滲層截面硬度情況(載荷砝碼為50 g)。圖3顯示，在整個(gè)滲氮層截面深度方向，滲層硬度由外及里有逐漸減小的趨勢(shì)，但基本沒(méi)有明顯變化。

圖3 304不銹鋼48 h滲氮后的滲氮層形貌(a)和滲氮層截面硬度變化(b)

圖4為304不銹鋼試樣分別經(jīng)過(guò)不同時(shí)間滲氮處理后滲層30 μm深度處的硬度。從圖4可以看出，其硬度變化區(qū)間為1130～1200 HV0.3，差別不大，這說(shuō)明304不銹鋼滲氮層的硬度與滲氮時(shí)間關(guān)系不大。但與未滲氮的304不銹鋼基體材料相比，滲氮層硬度提高了5～6倍。這說(shuō)明硬度的提高主要與滲氮層的組織有關(guān)。

圖4 304不銹鋼經(jīng)過(guò)不同時(shí)間滲氮處理后滲層30 μm處的硬度

圖5為經(jīng)過(guò)不同時(shí)間滲氮處理后304不銹鋼試樣滲氮層的X射線衍射圖譜。其中，未經(jīng)滲氮處理的304不銹鋼試樣圖譜顯示組織中只有奧氏體和鐵素體兩種相。分別經(jīng)過(guò)12～48 h的滲氮處理后，由圖5可知，滲氮層的組織是一樣的。試驗(yàn)條件下這4種滲氮層中塑性好但硬度低的奧氏體和鐵素體消失，代之以具有很高強(qiáng)度的Fe4N固溶體和具有很高硬度和耐磨性的CrN陶瓷相。這是304不銹鋼經(jīng)過(guò)滲氮處理后硬度增大、耐磨性提高的根本原因。

圖5 304不銹鋼滲氮處理不同時(shí)間后的XRD圖譜

2.3 離子滲氮對(duì)滲氮層耐磨性的影響

為了研究304不銹鋼離子滲氮后的耐磨性，本文在MS-T3000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)經(jīng)過(guò)48 h滲氮處理后304不銹鋼滲氮層與未經(jīng)滲氮處理的304不銹鋼試樣的摩擦磨損性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)所用對(duì)磨件為φ4 mm的高純氧化鋁球，摩擦載荷為500 g，滑動(dòng)速度為5 m/min，摩擦?xí)r間為120 min。圖6為二者的摩擦因數(shù)對(duì)比，可以看出，滲氮層的摩擦因數(shù)明顯高于304不銹鋼基體材料。但從磨損率來(lái)看，滲氮層的磨損率遠(yuǎn)低于304不銹鋼基體材料，如表2所示，滲氮層的相對(duì)耐磨性為304不銹鋼基體材料的24.5倍。這說(shuō)明，304不銹鋼材料經(jīng)過(guò)滲氮處理后的耐磨性大大提高。

圖6 304不銹鋼試塊滲氮前后的摩擦因數(shù)

表2 304不銹鋼及其滲氮層的摩擦磨損性能對(duì)比

2.4 離子滲氮對(duì)滲氮層耐蝕性的影響

為了檢驗(yàn)304不銹鋼經(jīng)過(guò)離子滲氮后的耐鹽堿腐蝕性能，本文分別對(duì)試樣進(jìn)行了電化學(xué)分析。圖7為304不銹鋼滲氮前后的試樣在3%NaCl溶液中的極化曲線。從圖7可以看出，304不銹鋼試樣滲氮前的自腐蝕電位為-0.522 92 V(vs SCE,下同)，經(jīng)36 h和48 h滲氮后滲氮層的自腐蝕電位分別為-0.891 22和-0.7471 V。顯然，滲氮試樣的耐鹽蝕性較差，這主要與形成CrN有關(guān)，CrN的形成使奧氏體基體中Cr的含量減少?gòu)亩鴮?dǎo)致試樣耐鹽蝕性能變差[7-9]。盡管這樣，48 h滲氮層的耐鹽蝕性還是比36 h的要好，這主要是因?yàn)榍罢叩臐B氮層深度比后者的大，對(duì)奧氏體基體的保護(hù)作用大。

圖7 304不銹鋼滲氮前后在3%NaCl溶液中的極化曲線

圖8為304不銹鋼滲氮前后試樣在5%NaOH溶液中的極化曲線。304不銹鋼試樣滲氮前、后的自腐蝕電位分別為-0.923 45和-0.486 66 V。這說(shuō)明304不銹鋼經(jīng)滲氮處理后，在堿性環(huán)境中更耐腐蝕。

圖8 304不銹鋼滲氮前后在5%NaOH溶液中的極化曲線

3 結(jié)論

1) 304不銹鋼經(jīng)過(guò)離子滲氮處理后，其滲氮層組織由具有更高強(qiáng)度的Fe4N和具有更高硬度的CrN組織組成。

2) 304不銹鋼經(jīng)過(guò)離子滲氮處理后，滲層30 μm深度處的硬度比未經(jīng)滲氮的304不銹鋼提高了5～6倍。

3) 304不銹鋼經(jīng)48 h滲氮處理后，其相對(duì)耐磨性為未經(jīng)處理的24.5倍。

4) 304不銹鋼經(jīng)滲氮處理后，其耐鹽蝕性能降低，耐堿蝕性能提高。