304不锈钢低温离子渗氮及氮碳共渗处理

試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試摇第44卷摇第8期摇2015年08月摇摇摇表面技术SURFACETECHNOLOGY收稿日期:2015鄄01鄄10;修订日期:2015鄄05鄄23Received:2015鄄01鄄10;Revised:2015鄄05鄄23基金项目:国家自然科学基金项目(51307091);浙江省科技计划项目(2013C1117);浙江省大学生科技计划项目(2015R430019)Fund:SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51307091),ScienceandTechnologyPlanProjectsinZhejiangProvince(2013C1117)andCollegeStudentsofScienceandTechnologyPlanProjectsinZhejiangProvince(2015R430019)作者简介:缪跃琼(1995—),女,浙江人,主要研究金属材料表面改性。Biography:MIAOYue鄄qiong(1995—),Female,fromZhejiang,Researchfocus:surfacemodificationofmetallicmaterials.通讯作者:高玉新(1974—),男,博士,讲师,主要从事金属材料表面改性研究。Correspondingauthor:GAOYu鄄xin(1974—),Male,Ph.D.,Lecturer,Researchfocus:surfacemodificationofmetallicmaterials.304不锈钢低温离子渗氮及氮碳共渗处理缪跃琼1,林晨1,高玉新1,郑少梅2,程虎1(1.台州学院机械工程学院,浙江台州318000;2.青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033)摘摇要:目的摇研究304不锈钢离子渗氮层和氮碳共渗层的组织、硬度及耐磨、耐蚀性能,并考察渗层的磨损机理。方法摇利用离子渗氮及氮碳共渗工艺在304不锈钢表面获得硬化层,利用XRD,OM及共聚焦显微镜、显微硬度仪、电化学测试仪,分析处理前后渗层的组织、相结构及渗层的硬度及耐磨耐蚀性能。结果摇304不锈钢氮碳共渗和渗氮层主要为S相层,在相同工艺条件下,氮碳共渗工艺获得的渗层为酌N+酌C的复合渗层,且厚度大于单一渗氮层。渗氮层和氮碳共渗层硬度约为基体硬度的3.5倍。在干滑动摩擦条件下,氮碳共渗层比渗氮层具有更好的耐磨性能;渗氮层的磨损机理为磨粒磨损的犁沟效应和断裂,氮碳共渗层的磨损机理为磨粒磨损的犁沟和微切削。电化学测试表明,渗氮层和氮碳共渗层的耐蚀性能均优于基体。结论摇304不锈钢在420益进行离子渗氮和氮碳共渗处理后,硬度和耐磨性能可大幅提高,且氮碳共渗处理效果更佳。关键词:304不锈钢;离子渗氮;氮碳共渗;S相;耐磨性能;耐蚀性能中图分类号:TG174.445摇摇摇文献标识码:A摇摇摇文章编号:1001鄄3660(2015)08鄄0061鄄04DOI:10.16490/j.cnki.issn.1001鄄3660.2015.08.011Low鄄temperaturePlasmaNitridingandPlasmaNitrocarburingof304StainlessSteelMIAOYue鄄qiong1,LINChen1,GAOYu鄄xin1,ZHENGShao鄄mei2,CHENGHu1(1.CollegeofMechanicalEngineering,TaizhouUniversity,Taizhou318000,China;2.CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China)ABSTRACT:ObjectiveTostudythemicrostructure,hardnessandwearandcorrosionpropertiesofplasmanitridedandnitrocar鄄burizedlayersof304austeniticstainlesssteel,andinvestigatethewearmechanismofthelayers.MethodsAnitridedornitrocar鄄burizedlayerwasformedon304stainlesssteelsubstratebylow鄄temperatureplasmanitriding(PN)orplasmanitrocarburizing(PNC)technique.Thephasestructure,hardnessandwearandcorrosionpropertieswerecomparativelyanalyzedwithXRD,OM,microhardnesstesterandelectrochemicalmeasurementsystem.ResultsThenitridedornitrocarburizedlayerconsistedofexpanded·16·表摇面摇技摇术摇摇摇2015年08月austenite(S鄄phase).Thecomposite酌N+酌ClayerwasformedbyPNCtechniquewithlargerthicknessunderthesameprocesscon鄄dition.Thehardnessofthetwolayerswas3.5timeshigherthanthatofthesubstrate.Thewearpropertyofnitrocarburizedlayerwasbetterthanthatofthenitridedlayerunderdryslidingfrictioncondition.ThewearmechanismofPNlayerwasploughingactionsandfracture,whilethewearmechanismofPNClayerwasploughingactionsandmicro鄄cutting.Thecorrosionresistanceofboththenitridedandnitrocarburizedlayerswasbetterthanthatofthesubstrateasrevealedbyelectrochemicaltest.ConclusionPNandPNCtreatmentat420益couldeffectivelyimprovethehardnessandwearresistanceof304stainlesssteel,andthetreatmentofPNCwasbetter.KEYWORDS:304stainlesssteel;plasmanitriding;nitrocarburizing;S鄄phase;wearresistance;corrosionresistance摇摇奥氏体不锈钢因其良好的耐蚀性能而被广泛应用于化工、海洋、机械、食品及制药等领域,但由于其硬度低、耐磨性差,严重影响了使用范围和使用寿命[1—2]。采用低温离子渗氮(PN),渗碳(PC)或氮碳共渗(PNC)工艺对不锈钢进行表面硬化处理,可在保持其耐蚀性能前提下大幅提高硬度及耐磨性能[3—7]。低温(440益)PN处理可获得高硬度、无铬氮化物析出的氮扩张奥氏体(酌N)[8—9],但工艺渗速慢、渗层薄,渗氮层硬脆,硬度梯度大。不锈钢低温(550益)PC处理亦可获得无铬氮化物析出的碳扩张奥氏体(酌C),且渗层较厚[10—11],但相比酌N硬度偏低,且PC工艺对设备也提出更高的要求。不锈钢PNC工艺能结合PN和PC两种工艺的优点,获得较厚且硬度梯度缓和的渗层[12]。本文利用PN及PNC两种工艺对304奥氏体不锈钢进行硬化处理,对比分析两种工艺下渗层的组织、硬度及耐蚀性能,为不锈钢低温离子硬化处理提供参考。1摇实验实验基材采用国产304奥氏体不锈钢,尺寸为准22mm伊5mm,化学成分(以质量分数计)如下:C0.133%,Si0.49%,Mn1.294%,Cr16.77%,Ni8.14%,Mo0.202%,Fe余量。实验前,试样表面依次用240#—1200#水磨砂纸磨光,超声清洗5min。实验设备为SLHMC25A鄄2型双重加热多功能离子轰击炉,先将试样摆放于炉内阴极台上,然后抽真空至10Pa后,开启辅助加热电源;当炉内温度达到180~200益后起辉。试验工艺参数见表1。表1摇304不锈钢PN和PNC处理工艺参数Tab.1ProcessparametersofPNandPNCtreatmenton304stainlesssteel工艺电压/VV(N2)/%V(H2)/%V(CH4)/%温度/益炉压/Pa时间/hPN520~55025750420240~2605PNC520~5500982420240~2605摇摇处理后的试样沿横截面切割、镶样,抛光后进行腐蚀。采用金相显微镜观察试样横断面形貌,采用X射线衍射分析仪分析渗层的相组成,采用HVS鄄1000型显微硬度计测试渗层的表面硬度。采用蔡司共聚焦显微镜测量磨痕深度和宽度数据及磨损形貌,采用上海辰华CHI660D型电化学测试仪在3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液中测量试样处理前后的耐腐蚀性能,参比电极为饱和甘汞,辅助电极为铂片。采用MMW鄄1型万能摩擦磨损试验机考察304不锈钢处理前后的摩擦性能,载荷为10N,对磨副为准8mm的YG8硬质合金球,转速为300r/min。磨损体积通过式(1)计算。V棕=2仔hr6b(3h2+4b2)(1)式中:V棕为磨损体积,mm3;r为对磨球的旋转半径,本实验中r=8mm;h为磨痕深度,mm;b为磨痕宽度,mm。2摇结果与讨论2.1摇金相分析摇摇图1为304奥氏体不锈钢经过离子氮碳共渗和渗氮处理后的横截面金相照片,两种工艺下获得的渗层均为白亮层。PN工艺获得的渗层为单一酌N层,而·26·第44卷摇第8期摇摇缪跃琼等:304不锈钢低温离子渗氮及氮碳共渗处理PNC工艺获得的渗层分为内外两层:内层为渗碳层(酌C),外层为渗氮层(酌N),酌C层厚度大于酌N层。Tsujikawa等[13]利用离子渗氮+渗碳的复合工艺在奥氏体不锈钢表面获得的渗层与氮碳共渗层类似。由于处理温度较低,渗层中未出现大量Cr的氮化物,两种工艺下获得的渗层均为氮或碳的扩张奥氏体(S相)。低温短时间PN处理获得的渗层较薄,而相同工艺条件下PNC处理可获得较厚的复合渗层,这说明渗氮气氛中C原子的存在可以提高渗速。另外,这种复合渗层可缓和硬度梯度,利于承受冲击载荷。图1摇离子氮碳共渗和渗氮的金相组织Fig.1Metallurgicalmicrostructureofcross鄄sectionof304stain鄄lesssteelafterPNCandPNtreatments2.2摇渗层相分析图2为304不锈钢经过PNC和PN处理后的XRD图谱,均出现了氮或碳的扩张奥氏体相,这种相被称为S相[3,6],它是N或C原子在Fe中的过饱和固溶体,具有较高的硬度和较好的耐蚀性能。N或C原子在酌中固溶后,使原来奥氏体的面心立方晶格转变为四方晶格结构,晶格发生畸变,峰位变宽发生左移[3,14]。同时,在PNC工艺中出现了少量CrN相,这主要是因为在PNC工艺中,C原子会促进N与Cr原子的结合,导致少量CrN相形成,且在420益下,N原子稳定性差,易于和Cr原子结合。奥氏体不锈钢低图2摇304不锈钢处理前后的XRD图谱Fig.2XRDpatternsof304stainlesssteelbeforeandaftertreat鄄ment温离子硬化处理最关键的工艺参数为温度,离子渗氮时温度过高(440益)会导致基体中的Cr原子与N原子结合,析出Cr的氮化物