不銹鋼氮化.doc

1不銹鋼滲氮：鉻-鎳系奧氏體不銹鋼、Cr13系馬氏體不銹鋼、低碳高鉻系鐵素體不銹鋼等所制工件，雖然具有較高的高溫強度，但耐磨性較差，常需為提高表面耐磨性而進行滲氮，不銹鋼的滲氮溫度常在500600，時間2550h，層深0.100.30mm，滲氮前需去除工件表面的鈍化膜，可用噴砂（應(yīng)用于表面粗糙度要求不高的工件）、氫還原法等。也可在滲氮時向氨分解氣中通入氯化銨使氧化膜還原。2.304不銹鋼滲鉻固溶滲氮復(fù)合處理工藝研究（上海市機械制造工藝研究所田華）304不銹鋼強度低,不能淬火強化,耐磨性差,為此可以通過滲鉻在其表面得到耐磨、耐蝕、抗高溫氧化的鉻的碳化物層和鉻的固溶體滲層，從而改善其強度低、耐磨性差等缺點。(1)滲鉻滲劑及工藝控制滲劑的配制以鉻粉或鉻鐵粉（通常為100目左右）、氧化鋁、碘化銨或氯化銨，按適當比例配制，盡可能混合均勻。添加適量氟化鈉可改善滲鉻零件表面光潔度。滲鉻選用帶保護氣氛的高溫爐和耐熱鋼制坩堝，將攪拌均勻的滲劑裝箱，放入試樣，用耐火泥密封。滲鉻過程中爐體內(nèi)用99.999%高純氮或99.999%高純氬中性氣氛保護，避免坩堝內(nèi)表面滲劑的氧化、結(jié)塊。滲鉻溫度可在9501100之間選擇，保溫結(jié)束爐冷至低溫后出爐空冷。(2)固溶滲氮處理將滲鉻后的試樣徹底清洗后，進行真空固溶滲氮處理。加熱時嚴格控制爐內(nèi)氮氣分壓，工藝溫度為10501150，氮氣分壓為11043105Pa之間，保溫結(jié)束可快冷至室溫。(3)復(fù)合滲層顯微硬度滲層表面硬度為10001200HV0.1。經(jīng)試驗研究，當硬度低于400HV5時固溶滲氮效果不顯著；當硬度低于300HV5時，則必須重新進行固溶滲氮處理。因為鉻是強氮化物形成元素，固溶滲氮后表面生成Cr2N，只有Cr2N相在復(fù)合滲層中占有相當比例時，才能顯著提高工件表面滲層質(zhì)量。經(jīng)鉻氮復(fù)合滲工藝處理后的試樣表面主要為Cr2N，且消除了相。在鉻氮復(fù)合滲工藝中，溫度與保護氣氛控制對滲層起著關(guān)鍵作用。經(jīng)高溫滲鉻加固溶滲氮復(fù)合處理后，304不銹鋼表面硬度達1000HV0.1以上,滲層深度為0.14mm，滲層脆性小。由于固溶滲氮處理溫度高，可有效解決低溫氣體滲氮層淺、硬度底等缺點。另外，采用高壓氣冷冷卻，可大幅度減少Cr23C6的析出，避免晶間腐蝕。固溶滲氮可細化滲鉻時的粗大晶粒，并使表面鉻濃度擴散均勻，提高表面硬度、熱硬性及抗腐蝕能力。摘自熱處理技術(shù)與裝備（2006，No.4）3.馬氏體不銹鋼活塞環(huán)的氣體氮化（武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院肖文凱等）對6Cr13Mo馬氏體不銹鋼活塞環(huán)進行了加入NH4Cl的潔凈氣體氮化處理試驗，對產(chǎn)品進行了金相與硬度監(jiān)測及裝車試驗，結(jié)果表明：由于NH4Cl的活化和催滲作用，經(jīng)5208h氮化，滲層深度可達0.20mm，最高硬度可達1200HV，且大于800HV的有效層深達0.12mm以上，完全能夠滿足活塞環(huán)的使用要求，其使用壽命與鍍鉻環(huán)相當。該處理工藝可替代傳統(tǒng)的有污染的鍍鉻工藝。-摘自熱加工工藝（2005，No8）4.不銹鋼的固溶滲氮處理（上海工程技術(shù)大學(xué)朱祖昌易普森工業(yè)爐（上海）有限公司曾愛群）不銹鋼置于真空爐中，在10501150的固溶處理溫度下通入純氮（壓力為PN2）進行滲氮處理，可以獲得2.5mm深的滲氮層，同時保持優(yōu)良的抗蝕性能。這是一種新的化學(xué)熱處理工藝方法，稱為固溶滲氮處理，標注為SOLNIT。此種方法首先是于1993年在Weisbaden召開的AWT的熱處理學(xué)術(shù)討論會上由德國學(xué)者HBerns提出，論文發(fā)表于HTM1994的雜志上。一般說來，不銹鋼滲氮可以應(yīng)用離子滲氮或鹽浴滲氮（Sursulf或Tenifer方法）進行，但在這兩種方法中會析出氮化物，從而引起基體中鉻的貧化，致使其耐蝕性下降。氮和碳一樣是擴大Fe奧氏體相區(qū)的合金元素，在鋼中可以間隙原子存在并使鋼強化，但氮能提高鋼的耐蝕性，所以獲得高氮鋼一直是人們追求的目標。鋼中能溶解的氮比碳多，通過滲氮能避免鐵素體相的出現(xiàn)，也能減少脆性第二相在奧氏體晶界上析出，這對材料使用性能的提高是有利的。氮是雙原子氣體，它具有強的三鍵，能廣泛用作保護氣體。但它在1000以上，會劇烈熱解，所以在鋼件表面擁有大量氮原子。存在于金屬中的氮為原子態(tài)，以N表示，這樣，在工件表面可實現(xiàn)下面的平衡：212NN（1）反應(yīng)式（1）的平衡常數(shù)KN為20.50.52/NNNPNNkfNP（2）氮沿深度的濃度分布依據(jù)菲克第二定律進行求解，按半無限大工件的一維單方向擴散模型，計算并不復(fù)雜，相應(yīng)的邊界條件和初始條件為：C（O，t）=NS（鋼件表面溶解的氮量N）；C（，t）=Nc；C（x，O）=Nc其解為：NX=NC+（NS-NC）2N1erfDt上式中的erf為高斯誤差函數(shù)。只要氮在合金中的擴散系數(shù)DN（它與氮濃度無關(guān)）已知，氮沿工件表面至縱深方向的分布便可求得。在滲氮處理溫度TN時，當滲層的NS大于溶解度極限，鉻的氮化物Cr2N發(fā)生沉淀。首先沉淀在奧氏體晶界，其次在奧氏體晶粒內(nèi)非連續(xù)沉淀。對后一種沉淀，得到簿片狀顯微組織形態(tài)，雖基本保持為奧氏體。在本文中稱為“珠光體”形態(tài)，它具有一定的脆性。這種沉淀的脆性氮化物可以通過固溶滲氮的平衡條件調(diào)整予以避免。固溶滲氮處理溫度：10501150；氮氣分壓：PN20.010.3Mpa（0.13bar）；固溶滲氮時間：24h；滲氮層深度：可至2.5mm；固溶滲氮后的冷卻：采用液體淬火劑或高壓氣淬。應(yīng)當指出，固溶滲氮溫度高，會促使心部和滲層晶粒長大。一般對馬氏體而言，第二相沉淀能起阻止晶粒長大的作用。但對奧氏體滲氮層，則在滲層后靠冷加工（如拋丸處理）方法細化。對于高鉻鐵素體不銹鋼（如X2CrMoNb18-2等），由于心部晶粒過于長大，不適合進行固溶滲氮；對馬氏體型和F+M型不銹鋼，經(jīng)固溶滲氮獲得馬氏體滲氮表層，如X6CrMo17-1經(jīng)固溶滲氮淬火后，其心部約含15（體積百分數(shù)）的馬氏體，這樣在滲氮處理溫度TN時的顯微組織為F+A，能阻止心部組織的長大，故而能適合進行固溶滲氮；又如對鋼X20CrMo13在TN時的顯微組織幾乎全部為奧氏體，其晶粒長大比前鐵素體型不銹鋼緩慢，能進行固溶滲氮。對兩種M和F+M型不銹鋼經(jīng)固溶滲氮并淬火后，表面層獲得M+殘余奧氏體（A）組織，經(jīng)深冷或在450附近的二次硬化回火使A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，顯然適合于制造軸承、工具和齒輪零件。對含鎳馬氏體不銹鋼（如X4CrNiMo16-5），經(jīng)固溶滲氮后獲得較軟的馬氏體心部上存在奧氏體滲氮層的組織，其含氮量約達0.6，隨滲層深度增加，奧氏體量降低，相應(yīng)的硬度增加，直至心部的馬氏體硬度。獲得這種組織是基于體積改變小和殘存壓應(yīng)力的考慮。對含鎳奧氏體不銹鋼（如X5CrNiMo17-13-2）經(jīng)固溶滲氮后獲得奧氏體的心部和表層，因為Ni和N的交互作用系數(shù)eNNi為正，該鋼的表面氮濃度NS約為0.5。如果采用Mn代替Ni（因為eNMn為負值），則能提高表層氮的固溶度，使18Cr-18Mn鋼的NS達到0.9。對于F+A型不銹鋼（如X2CrNiMoN22-5-3），經(jīng)固溶滲氮后能獲得較高強度的心部和表層，其（F+A）的心部組織比X5CrNiMo17-13-2具有兩倍以上的屈服強度，又因為高鉻低鎳能使NS提高至0.9，這種類型的不銹鋼特別推薦采用固溶滲氮處理。固溶滲氮的工件裝爐前必須予以清洗，經(jīng)排除爐內(nèi)空氣后，在真空條件下或?qū)α骷訜釛l件下，加熱至固溶滲氮工藝溫度（10501150），然后調(diào)整爐壓和時間參數(shù)，使其達到所要求的表面含氮量和滲氮層深度。工藝參數(shù)調(diào)整可采用特定的計算機程序。固溶滲氮后工件采用最高的冷速淬至室溫。如1Mpa（10bar）氮氣的高壓氣淬方式。結(jié)束語固溶滲氮是一種新的化學(xué)熱處理方法。它可對處于奧氏體狀態(tài)的不銹鋼，通過應(yīng)用氮氣在高溫下熱分解將氮溶入其表面并經(jīng)淬火冷卻，以獲得高氮奧氏體或馬氏體表面層，而心部仍保持固溶處理的組織和性能。這種處理方法能實現(xiàn)工件心部和表層的組織和性能的重新配合，得到廣泛應(yīng)用。處理過程中，工件表面平衡的含氮量NS隨Cr和Mo的合金化，氮氣壓PN2的提高，以及隨處理溫度的降低至10501150溫度范圍較低端的提高。經(jīng)過24h處理，表面滲層可達2.5mm。對給定的鋼和工藝溫度，NS由N2的分壓決定，隨Cr、Mo含量的提高，PN2從0.30Mpa（3.0bar）降至0.01Mpa（0.1bar）-摘自機械工人（熱加工）（2005，NO6）52Cr13鋼的表面氣體滲氮處理（哈工大材料科學(xué)與工程學(xué)院楊建群等）采用氣體氮化處理不銹鋼主要集中在奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼，而對馬氏體不銹鋼進行氣體滲氮的相關(guān)研究及報道尚不多見。材料2Cr13（0.160.25C，1.00Si，1.00Mn，0.035P，0.030S，12.0014.00Cr），圓盤件（7010）；氮化前調(diào)質(zhì)工藝：103025min淬油，5803040min回火，硬度420HV0.1。滲氮工藝：52020h純氨滲氮。調(diào)質(zhì)處理后的晶粒度是影響2Cr13馬氏體不銹鋼滲氮后表面質(zhì)量的重要因素，而晶粒大小則有淬火溫度決定，降低淬火溫度使組織細化。1030是該鋼的臨界淬火溫度。滲氮后基體組織為具有優(yōu)異綜合性能（足夠的強度和高韌性）的回火索氏體，由細小的粒狀碳化物和過飽和鐵素體組成?；w局部區(qū)域組織保留了馬氏體板條形態(tài)，這是由于2Cr13不銹鋼中的高Cr在高溫回火強烈阻礙碳化物的聚集、長大，以及延緩鐵素體的回復(fù)和再結(jié)晶。由于鐵素體沒有進行充分的再結(jié)晶，顯微組織繼承了馬氏體板條的亞結(jié)構(gòu)及形貌，屬正常組織。滲氮層耐磨性主要取決于滲層的厚度、強度及其微觀組織結(jié)構(gòu)。經(jīng)對2Cr13鋼盤試樣氣體滲氮后橫斷面的顯微組織觀察可知，滲氮層與基體間有明顯的界線，且界面整齊并緩慢變化，說明滲氮層與基體結(jié)合強度很大。滲氮層包括化合物層和擴散層，厚度約為165m，其中化合物層約為10m，利用XRD對滲氮層進行測試，結(jié)果表明，化合物層最表面主要為/-Fe4N和少量的-Fe3N兩相組成?；衔飳佑捕茸罡呒s為1051HV0.1，約為滲氮前的2.5倍。摘自金屬熱處理（2009，No7）6離子濺射在奧氏體不銹鋼離子滲氮中的應(yīng)用（中南民族大學(xué)何翔等）不銹鋼硬度低（約280HV0.1）、耐磨性差，使其在許多場合的應(yīng)用受到限制。提高不銹鋼表面強度的方法主要有：離子滲氮或滲碳（離子氮碳共滲）、微波滲氮、離子注入、物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積、電鍍等。不銹鋼中Cr、Ni含量比較高，在其表面形成了一層致密的鈍化膜，在離子滲氮中，這層鈍化膜阻礙了N離子的滲入。通過Ar離子在強電場的加速下連續(xù)轟擊工件表面，全方位摧毀其鈍化膜，為N離子的吸收和擴散提供通道。本文利用自制的直流脈沖離子滲氮設(shè)備，以Ar+NH3為氣源，在300400之間采用低氣壓、高電壓的放電參數(shù)來加強離子濺射，該預(yù)處理方法有效地去除奧氏體不銹鋼（18Cr-12Ni-2.5Mo，主要化學(xué)成分為：0.06C，19023Cr，11.26Ni，2.67Mo，1.86Mn，余量為Fe）的表面鈍化膜，使奧氏體不銹鋼的滲氮層更深，表面硬度和硬度梯度均得到較大改善。奧氏體不銹鋼經(jīng)離子滲氮后，通過加強濺射的方法得到的試樣（2410mm）表面硬度在1200HV0.5以上，器深層深度達110m，耐磨性能提高了45倍，Cr與N的親和力比Fe與N的親和力強，在表面形成了Cr的氮化物，使奧氏體不銹鋼表面Cr的含量下降而使耐腐蝕性下降。工藝：Ar、NH3以2：1的體積比保持總氣壓為100120Mpa，溫度為300400，提高電壓到最高值1000V加強濺射30min后再保溫；氮化：540（純氨）8h，氣壓380400Mpa，最后加氨自然冷卻。摘自金屬熱處理（2009，No6）700Cr12Ni9Mo4Cu2Ti馬氏體不銹鋼離子滲氮組織和性能（浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系趙良峰等）摘要：對00Cr12Ni9Mo4Gu2Ti馬氏體時效不銹鋼進行了離子滲氮處理，研究了不同滲氮條件下所形成的滲氮層的相結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明：經(jīng)離子滲氮后的00Cr12Ni9Mo4Cu2Ti馬氏體時效不銹鋼的表面硬度、耐磨性都有明顯的提高，表面硬度最高達到了1350HV0.05。當樣品在400滲氮時，表層新相主要由相組成；當滲氮溫度上升至500時，表層新相主要由N相、/-Fe4N相、相組成，并有大量的CrN相組成；當滲氮溫度上升至600時，相、CrN的含量繼續(xù)增加，/-Fe4N相逐漸減少，N相幾乎完全分解。伴隨著CrN相的生成，樣品的耐磨性得到了提高，表面耐腐蝕性能有一定下降。實驗還觀察到該馬氏體時效不銹鋼滲氮層中有微裂紋產(chǎn)生，裂紋的形成與樣品的殘余內(nèi)應(yīng)力和氮化物相生成有關(guān)。結(jié)論1）00Cr12Ni9Mo4Gu2Ti馬氏體時效不銹鋼離子滲氮層厚度隨滲氮溫度和時間的升高而增加，但當溫度升到600時硬度開始降低，同時硬度也隨著滲氮時間的增加增幅逐漸平緩，當時間過長時便開始下降。經(jīng)離子滲氮的試樣表面顯微硬度最高達1350HV0.05.400低溫滲氮處理的滲氮層主要由N過飽和固溶體N相組成；500滲氮試樣表面滲氮層主要由/-Fe4N相組成，并有少量CrN和相生成；600常規(guī)