奧氏體不銹鋼低溫滲氮層的組織與耐磨性

1、第20卷第1期2000年2月摩擦學(xué)學(xué)報(bào)TRIBOLOGYVol20,No1Feb,2000奧氏體不銹鋼低溫滲氮層的組織與耐磨性王亮,許曉磊,許彬,于志偉,黑祖昆(大連海事大學(xué)材料工藝研究所,遼寧大連116026)3文章標(biāo)識碼:A文章編號:2000)0120067203奧氏體不銹鋼作為重要的耐腐蝕材料廣泛應(yīng)用于各種腐蝕環(huán)境,如化工及食品等工業(yè)中.低,耐磨性差,的場合,.等13316奧氏,也可通過化學(xué)熱處理如離子滲氮和氮碳共滲4來提高各種鋼鐵材料的表面硬度,改善耐磨性能,但處理溫度一般在500以上.因?yàn)镃rN的析出使基體耐蝕性能惡化,限制了這一技術(shù)的應(yīng)用.為解決這一問題,近年發(fā)展了一些新的滲氮方法

2、,如用等離子體浸沒離子注入(PIII)和射頻(Rf)等離子體離子滲氮等5,6對奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面耐磨抗蝕強(qiáng)化,并已取得了很大的進(jìn)展.本研究采用低壓等離子體弧離子源離子氮化方法,具有設(shè)備簡單,工藝穩(wěn)定,表面氮濃度高及滲速快等特點(diǎn).,MH26型顯(載荷1N).在無潤滑條件,2盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,球?yàn)?lt;12.8mm的GCr15淬火鋼球,硬度為6263HRC,載荷20N,時(shí)間20min.2結(jié)果與討論2.1滲層相組成不同溫度條件下滲氮層金相組織見圖1.可見:在其他條件不變的情況下,滲氮層深度隨處理溫度的提高顯著增加.350和420滲氮層呈現(xiàn)均勻的白亮色,顯示出比基體好的耐蝕性,該白亮層為氮

3、過飽和奧氏體固溶體(N相);當(dāng)處理溫度升至460時(shí),滲層厚度劇增,但滲層呈灰黑色,且耐蝕性嚴(yán)重惡化,原因是在較高溫度下滲氮時(shí),一方面N元素?cái)U(kuò)散加劇,滲層變厚;另一方面基體中的合金元素遷移能力增強(qiáng),而Cr與N具有很強(qiáng)的親和性,極易結(jié)合形成.CrN,造成基體貧Cr而使抗蝕能力下降圖2為不同溫度下滲氮層表面X射線衍射圖譜.可見:低溫下滲層淺,衍射峰中除滲層相的衍射峰外,也出現(xiàn)了基體奧氏體的衍射峰,滲層衍射峰與基體衍射峰成對出現(xiàn),即伴峰現(xiàn)象;滲層衍射峰都出現(xiàn)在低角度處,面間距較相應(yīng)基體面間距大.正是基于這一現(xiàn)象,有人認(rèn)為滲層是具有面心立方結(jié)構(gòu)的N過飽和奧氏體固溶體,因?yàn)镹的固溶造成晶格膨脹,面間距變大

4、7;隨溫度升高滲層加厚,超過X射線穿1試驗(yàn)方法基體材料采用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼,表面用砂紙磨光.用自制的等離子體源離子鍍和離子滲擴(kuò)處理爐進(jìn)行低溫氮化.本底真空度2.6×10-2Pa.試驗(yàn)條件:工作真空度為0.13.0Pa,實(shí)際采用真空度0.4Pa,氮?dú)浠旌蠚夤ぷ鳉庠碞2H2為81,溫度范圍350480,時(shí)間90min,試樣表面離子流2密度0.3mA cm,電壓0.81.0kV,樣品隨爐冷卻.用D Max2rA型X射線衍射儀分析滲層相結(jié)構(gòu),LAS23000型表面分析系統(tǒng)分析表面元素分布,3遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目.1999202201收到初稿,1999207226收到修改

5、稿 本文通訊聯(lián)系人王亮.王亮,男,38歲,副教授,目前主要從事等離子體材料表面強(qiáng)化研究.68摩擦學(xué)學(xué)報(bào)第20卷透深度,所以僅出現(xiàn)滲層衍射峰,與低溫滲氮樣品相比,峰位移動明顯較大,表明滲層中氮濃度增大.如果在450以上滲氮,滲層中極易形成CrN析出使?jié)B內(nèi),420滲氮樣品中N原子含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì),下同)保持在15%以上,且分布較均勻,同一樣品用電子探針分析測得表面N含量為13%14%,與AES結(jié)果相近.這一結(jié)果與目前文獻(xiàn)報(bào)道的滲氮層N含量相比略高9,10.N含量高意味著同樣處理時(shí)間內(nèi)得到的滲層深,同時(shí)在奧氏體中的過飽和固溶度提高,固溶強(qiáng)化效果好,得到具有更高硬度強(qiáng)化層.這在前面滲層斷面金相觀測中

6、業(yè)已證實(shí).因此,本文所采用的滲氮方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn).Fig1Opscross2sectionnitrided(320×)Fig3AEScompositionprofilesofnitridedlayer圖3420滲氮層樣品表面成分AES剖面圖圖1不同溫度下滲層的金相顯微組織(×320)Fig2X2raydiffractionpatternsofstainlesssteelion2nitridedatdifferenttemperaturesFig4Opticalmicrographsofwornsurfaceofdisc(100×)圖2不同溫度下滲氮樣品的X射線衍

7、射圖譜圖4420下2種試樣的磨痕表面形貌(×100)層耐蝕性下降.本研究中滲層中CrN析出的臨界溫度約450.這與文獻(xiàn)8,9的報(bào)道結(jié)果相同.2.2滲層硬度和滲層成分分析在350、420和460下處理試樣的硬度分別為700HV,1280HV和1250HV,與未處理試樣硬度250HV相比提高約5倍.圖3為滲層中N元素沿滲層深度AES分析結(jié)果.可見,在分析深度范圍2.3磨損性能在同樣試驗(yàn)條件下對420滲氮和未滲氮樣品進(jìn)行磨損對比試驗(yàn),并用表面輪廓儀和光學(xué)顯微鏡分析其磨損表面形貌,其結(jié)果見圖(4和5).可見:與未滲氮樣品相比滲氮樣品磨痕表面比較平滑,磨痕非常淺,磨損輕微,磨損體積損失約0.1

8、2mm3,摩擦系數(shù)約0.15;未處理樣品磨痕很粗糙,磨損體積損失約第1期王亮等:奧氏體不銹鋼低溫滲氮層的組織與耐磨性690131mm3,摩擦系數(shù)約為0.50,且擦傷嚴(yán)重,磨痕邊得滲層厚度10.m,表面N原子含量達(dá)到15%以上所獲得的高硬度表面滲氮層由氮在奧氏體中的過飽和固溶體組成,耐磨性比未處理樣品提高23倍.參考文獻(xiàn):1姚舉祿,高美珍,史跡,等.離子束混合鋁 鐵雙層膜表面改性J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1995,15(2):110107改性研究J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1994,14(4):306313結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1998,18(3):226231的微觀分析和摩擦學(xué)性能研究J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),19

9、97,17(1):1116imponfoonofmaterialsJJlPhys,4596Fig5SurfaceprofilometryofwstainlesssteelJ.SurfCoatTechnol,1998,98:11871191stainlesssteelcompositiononlow2energy,highflux,nitrogenionbeamprocessingJ.SurfCoatTechnol,1998,1032104:178184austeniticstainlesssteelbyplasmaimmersionionimplantationJ.SurfCoatTechno

10、l,1995,74275:417424andcorrosionofnitrogenimplantedAISI304stainlesssteelJ.SurfCoatTechnol,1992,51:2429beamionimplantationandnitridingofAISI304stainlesssteelJ.SurfCoatTechnol,1996,83:235242圖5420下2.與此同時(shí),原始材料、粘著和撕裂,滲氮后的樣品的磨損損傷則顯著減輕.其主要原因是具有較高硬度的氮過飽和固溶體使材料表面得到有效的強(qiáng)化.因此在較低溫度下利用本文所述的離子滲氮方法可以對奧氏體進(jìn)行高效表面耐磨強(qiáng)化處理

11、.3結(jié)論低壓等離子體弧源離子滲氮是一種有效的奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)化方法.在420下處理90min所StructureandWear-resistanceofIon-nitridedAusteniteStainlessSteelWANGLiang,XUXiao2lei,XUBin,YUZhi2wei,HEIZu2kun(InstituteofMetalandTechnology,DalianMaritimeUniversity,Dalian116024,China)Abstract:Austeniticstainlesssteel(1Cr18Ni9Ti)wasnitridedusingalowpressureplasmaarcsourceina.Underproperprocessingconditions,ahardwear2resistantsurfaceistemperaturerangeof350450producedwiththedepthofthemodifiedlayerrangingfrom2to10m.Thenitridedlayerswereexaminedwithopticalmic