3Cr13等離子表面滲氮

時間：2013-04-09 09:14:51 來源：作者：程東，高原，唐光輝，陳戰(zhàn)

3Cr13等離子表面滲氮

程東，高原，唐光輝，陳戰(zhàn)

（桂林電子科技大學(xué)，桂林，541004 武漢首發(fā)材料科技有限公司，武漢，430064）

摘要：對3Cr13不銹鋼進(jìn)行等離子滲氮處理，并對滲氮后的試樣進(jìn)行金相組織觀察、硬度檢測、x射線衍射物相分析以及電化學(xué)腐蝕性能測試。結(jié)果表明：450℃×9h滲氮后，滲氮層厚度達(dá)35μm，表面硬度達(dá)HV1020，滲氮層物相主要為：Fe3N、Fe2N 、Fe2C；550℃×9h滲氮后滲氮層厚度達(dá)100μm，表面硬度達(dá)HV1280，滲氮層物相主要為：Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN；450℃×9h滲氮在3.5%的NaCl溶液中耐腐蝕性能提高，550℃×9h滲氮，在3.5%的NaCl溶液中耐腐蝕性能則降低。

關(guān)鍵詞：3Cr13不銹鋼；等離子；滲氮；耐腐蝕性

3Cr13鋼為我國應(yīng)用較多的不銹鋼之一。通過合適的熱處理工藝可充分發(fā)揮該鋼的內(nèi)在潛力，改善性能，大幅度提高其使用壽命和耐蝕性[1]。近年來，該鋼的熱處理工藝取得明顯進(jìn)展，但目前應(yīng)用較為先進(jìn)的等離子表面技術(shù)進(jìn)行表面改性研究較少，國內(nèi)外也鮮有報道。因此，開展這方面的研究工作有重要的實(shí)用價值和理論意義。

不銹鋼因其表面有一致密的Cr2O3鈍化膜，用其他方法較難進(jìn)行表面處理。采用等離子技術(shù)對其進(jìn)行表面處理具有明顯優(yōu)勢。離子轟擊可以很容易將這層膜破壞，省去了打磨、拋光、清洗、化學(xué)去鈍等繁重工作[2]-[3]，離子處理技術(shù)又有速度快，效果好，干凈清潔等許多優(yōu)點(diǎn)，故發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

本研究利用等離子對3Cr13鋼進(jìn)行氮化處理。對其工藝、組織、結(jié)構(gòu)性能以及耐腐蝕性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料及工藝

試驗(yàn)用3Cr13不銹鋼化學(xué)成分如表1, 原始硬度為HV242。工藝參數(shù)如表2。

表1 3Cr13鋼的化學(xué)成分(wt%)

Tab.1 chemical composition of 3Cr13 stainless steel(wt%)

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Fe
含量	0.33	0.48	0.52	0.026	0.005	12.6	0.10	Bal.

表2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

Tab.2 parameters of experimental technology

工藝	試樣電壓	試樣電流	工作氣壓	氣氛
550℃×9h	850～900V	1.8～2.1A	800～950Pa	氨氣
450℃×9h	780～810V	0.8～1A	800～950Pa	氨氣

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 光學(xué)顯微鏡觀察及掃描電鏡觀測

3Cr13不銹鋼經(jīng)等離子滲氮550℃×9h處理后，從光學(xué)顯微鏡觀察由表及里依次為白亮層→擴(kuò)散層→過渡層→基體，見圖1。由圖1可見，白亮層位于試樣的最外層，

抗腐蝕性好，經(jīng)侵蝕劑FeCl3+HCl溶液侵蝕呈白亮色，白亮層向內(nèi)是擴(kuò)散層，平均厚度約為100μm，硬度為1280HV。經(jīng)侵蝕劑FeCl3+HCl溶液侵蝕后也呈白亮狀。再向內(nèi)是由氮和鉻在a-Fe中的固溶體+析出的細(xì)小鉻的碳化物組成的過渡層，耐腐蝕性能較差，經(jīng)腐蝕劑腐蝕后變黑。之后是基體組織，是由基體+碳化物組成。

滲層的SEM照片如圖2，可以看出滲層表面有一不連續(xù)的白亮層。

圖1，2.jpg

3Cr13不銹鋼經(jīng)等離子滲氮450℃×9h處理后的金相照片如圖3。擴(kuò)散層的平均厚度約為35μm，硬度為1020HV。

圖3 450℃×9h滲氮層的顯微形貌（FeCl3+HCl溶液）×100

Fig.3 Microstructure of the nitriding layer(450℃×9h) ×100

2.2滲氮層的相結(jié)構(gòu)分析

用X射線衍射儀對滲氮層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了衍射分析。圖4和圖5為經(jīng)滲氮550℃×9h、450℃×9h處理后表層的X射線圖譜。X射線衍射分析結(jié)果表明, 550℃×9h確認(rèn)含有Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN，450℃×9h滲氮樣確認(rèn)含有Fe3N、Fe2N 、Fe2C。這些相的出現(xiàn)是硬度提高的主要原因。由于550℃×9h滲氮層有Cr23C6及CrN出現(xiàn)，對硬度的提高幅度更大。

低溫滲氮形成過飽和固溶體，可能是溫度低，氮的擴(kuò)散慢，合金元素鉻擴(kuò)散更加困難，同時因鉻與氮元素之間具有很強(qiáng)的親和力，也限制了氮的擴(kuò)散，故易形成含氮量很高的過飽和固溶體薄層。當(dāng)溫度升高時鉻氮都能比較容易地進(jìn)行較長距離擴(kuò)散，相互結(jié)合形成CrN析出，使基體貧鉻。

2.3 滲氮后的電化學(xué)性能

電化學(xué)性能測試前，將原始樣和滲氮樣底面焊接上銅導(dǎo)線引出，使用環(huán)氧樹脂封裝，露出實(shí)驗(yàn)工作面。工作面依次經(jīng)240，400及600號砂紙逐級打磨，蒸餾水沖凈，吹干后備用。

電化學(xué)測試采用三電極體系。參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極是鉑片。采用北京中腐防蝕工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的PS-268A型電化學(xué)測量儀，對其氮化前后試樣進(jìn)行極化曲線測量，如圖6。掃描速度1mv/s。腐蝕數(shù)據(jù)由PS-268A繪圖軟件擬合求得列于表3。

圖6 原始樣及滲氮后在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

Fig.6 Polarization curves of the nitriding and primitive samples in 3.5%NaCl

表3 3Cr13滲氮樣品與原始樣品的腐蝕數(shù)據(jù)

Tab.3 The corrosion data of the nitriding and primitive samples

Samples	Ecorr/(mV)	icorr/(μA·cm-2)
3Cr13原樣	-345.9	0.94
550℃×9h滲氮樣	-488.5	1.68
450℃×9h滲氮樣	-247.4	0.16

可以看出，550℃滲氮9h 后，自腐蝕電位降低，腐蝕電流密度變大，表明3Cr13較高溫度(550℃) 滲氮降低了整體耐蝕性，這是由于形成了γ`—Fe4N相和ε—Fe2-3N相的同時，析出了Cr23C6及CrN，降低了基體的Cr含量，滲層空隙較多、致密性并不好，在這種情況下介質(zhì)中的Cl-離子更會加劇腐蝕反應(yīng)[6]，圖6的2號曲線出現(xiàn)了許多臺階式的變化，與空隙的隧道效應(yīng)致使腐蝕液滲透有關(guān)，這就直接導(dǎo)致了整體耐蝕性大幅降低。450℃滲氮9h 后，自腐蝕電位升高，腐蝕電流密度降低，表明3Cr13低溫滲氮(450℃)能提高耐蝕性，這是由于形成了ε—Fe2-3N相，新相改性層耐蝕性優(yōu)于原始不銹鋼耐蝕性。

3結(jié)論

1）不銹鋼表面離子滲氮，前期不需去鈍處理，之后提高了表面硬度，不需熱處理，即可直接使用。3Cr13不銹鋼550℃滲氮9小時硬度從HV242提高到HV1280，450℃滲氮9小時硬度提高到HV1020.

2）3Cr13經(jīng)550℃、450℃滲氮9小時表面硬化層的厚度分別達(dá)100μm、35μm。

3）550℃滲氮9小時表面相組成為Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN ，450℃滲氮9小時表面相組成為Fe3N、Fe2N 、Fe2C。這些新相的出現(xiàn)是硬度提高的主要原因。溫度高時鉻氮都能比較容易地進(jìn)行較長距離擴(kuò)散，相互容易結(jié)合形成CrN析出。

4）3Cr13不銹鋼經(jīng)550℃×9h滲氮處理后，耐蝕性下降，這與基體的貧鉻有關(guān)；經(jīng)450℃×9h滲氮處理后，新相改性層使耐蝕性提高。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 高原,徐重.不銹鋼等離子表面滲碳[J]電子顯微學(xué)報,2001(20):328-329

[3] 曹永錄,劉德義,等.奧氏體不銹鋼固溶滲氮研究[J]大連鐵道學(xué)院學(xué)報,2005,26(4)76-81

[4] 陳翠欣.不銹鋼固溶滲氮[J]國外金屬熱處理,2001,22(2):16-21

[5] 劉坤吉,王錫林,等.不銹鋼零件表面離子滲氮的研究與應(yīng)用[J]金屬熱處理,2005,30(4):55-58

[6] 馬力,閻永貴,等.Cl-濃度對CrCoMo不銹鋼耐蝕性能的影響[J]腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2005, 17(3):172-175

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