熱處理工藝參數對13Cr11Ni2W2MoV滲氮組織及性能的影響

王鳳

摘? 要：該文對13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料進行氣體滲氮，用金相顯微鏡觀察滲層氮化物組織形態，用顯微硬度計檢測滲層表面硬度，研究滲氮溫度、滲氮時間、Kn值對滲層組織形態和表面硬度的影響。結果表明，滲氮工藝參數中，Kn值對滲層組織形態和表面硬度影響較大，當滲氮溫度為600 ℃，Kn值降低到0.18，滲氮時間為8 h時，可獲得完整、致密的滲層氮化物組織和890 HV的表面硬度，并且隨著滲氮時間的延長，滲氮層厚度逐漸增加。

關鍵詞：滲氮;Kn值;滲層組織

中圖分類號：TG26? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼具有較好的韌性和耐蝕性能，在航空航天領域得到廣泛應用，但其耐磨性較差，影響零件的使用壽命。滲氮是提高不銹鋼材料表面硬度時最廣泛使用的表面處理技術之一，其優點是熱處理溫度低、畸變小，能顯著提高零件表面的耐磨性能，從而延長零件的使用壽命。

氣體滲氮的工作原理是利用氨氣在一定溫度下分解出活性氮原子，向不銹鋼材料表面滲入并擴散形成高硬度的鐵氮化合物，而熱處理工藝參數對滲層組織形態及表面硬度等性能有很大影響，如滲氮溫度過高或滲氮時間過長或Kn值過高均會使滲入的氮原子在晶界處大量聚集，當內外應力過大時，形成的高氮化合物就會沿著晶界開裂，只有選擇合適的熱處理工藝參數，才能獲得合格的滲層組織及所需性能。該文研究熱處理工藝參數，如滲氮溫度、Kn值（氨分解率）和滲氮時間對13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼滲氮組織及性能的影響，以獲得合格的滲層氮化物組織和表面硬度。

1 試驗材料與方法

該試驗所用的材料為退火態的13Cr11Ni2W2MoV棒料，通過機械加工的方法加工試樣。試樣尺寸為φ10×20 mm，表面粗糙度為Ra 0.8 μm，數量為20個，將試樣刻號進行區分。1）對所有試樣進行固溶、時效處理。工藝參數：固溶：1 000℃，保溫80 min，氬氣冷卻，時效：660 ℃，保溫100 min，氬氣冷卻。2）滲氮前在所有試樣表面液體噴砂去鈍化膜，工藝參數：白剛玉150目，風壓0.3 MPa，時間2 min，液體噴砂后試樣表面為均勻的灰色。3）選取8個試樣，每組2個，進行不同溫度的滲氮處理，工藝參數：滲氮溫度分別為540 ℃、560 ℃、580 ℃和600 ℃，保溫時間均為20 h，Kn值均為2.18。4）選取8個試樣，每組2個，進行不同Kn值的滲氮處理，工藝參數：滲氮溫度為600 ℃，保溫時間為8 h，Kn值分別為1.33、0.79、0.43、0.18。5）選取4個試樣，每組2個，進行不同時間的滲氮處理，工藝參數：滲氮溫度為600 ℃，Kn值為0.18，保溫時間分別為12 h、16 h。6）滲氮后的試樣用砂輪將表面的滲氮層全部打磨掉，用砂紙將其表面磨光后用拋光機將表面拋至光亮，然后用FeCl3+HCl溶液腐蝕表面，腐蝕后用金相顯微鏡觀察滲氮層的組織形態，用顯微硬度計檢測滲氮層的表面硬度。

2 試驗結果與分析

2.1 滲氮溫度對滲層組織形態及性能的影響

如圖1所示，用金相顯微鏡在500X下觀看滲氮層的組織形態。可以看到在不同的滲氮溫度下，滲氮層中的氮化物沿著晶界處均形成網狀并伴有開裂現象，而且滲氮層邊緣參差不齊、剝落嚴重。用顯微硬度計檢測滲氮層表面硬度，不同的滲氮溫度下，表面硬度值為1 000 HV～1 100 HV。

根據滲氮層組織形態及表面硬度結果進行分析可知，滲氮層產生裂紋應該有2個方面的原因。1） 滲氮過程中氮原子濃度過高，大量的氮原子滲入表面，快速地在晶界處聚集，形成的氮化物導致晶界處應力過大，從而使滲層組織開裂。2）滲氮時間過長，在滲氮環境下，氮原子不斷地滲入表面，同樣導致晶界處應力過大，從而使滲氮層組織開裂。因此滲氮熱處理工藝參數調整的方向為提高滲氮溫度，縮短滲氮時間，降低Kn值，以此來改善滲氮層組織形態。

2.2 Kn值對滲層組織形態及性能的影響

如圖2所示，用金相顯微鏡在500X下觀看滲氮層的組織形態。可以看到，當Kn值為1.33和0.79時，滲氮層中氮化物沿著晶界處仍有開裂現象，但滲氮層開裂及邊緣剝落的嚴重程度已有所好轉;當Kn值為0.43時，滲氮層中氮化物無開裂現象，但滲氮層邊緣處有少許剝落，其滲層深度約為0.19 mm，表面硬度約為920 HV;當Kn值降到0.18時，滲氮層中氮化物無開裂現象并且邊緣完整無剝落，其滲層深度約為0.07 mm，表面硬度約為890 HV。

根據滲氮層組織形態及表面硬度結果進行分析可知，提高滲氮溫度，縮短滲氮時間，降低Kn值，可明顯改善滲氮層的組織形態并降低滲氮層脆性，并且隨著Kn值的不斷降低，滲層中氮化物形態致密、滲層邊緣完整，無開裂及剝落現象。說明13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料在滲氮時對Kn值特別敏感，只有嚴格控制氮原子濃度才能獲得合格的滲層組織。

2.3 滲氮時間對滲層組織形態及性能的影響

如圖3所示，用金相顯微鏡在100X下觀看滲氮層的組織形態。可以看到當滲氮溫度為600 ℃，Kn值為0.18，滲氮時間為12 h時，滲氮層深度約為0.12 mm，表面硬度約為875HV。當滲氮溫度為600 ℃，Kn值為0.18，滲氮時間為16 h時，滲氮層深度約為0.26 mm，表面硬度約為870HV。對滲氮層組織形態及表面硬度結果進行分析可知，增加滲氮時間，滲氮層深度隨之增加，并且滲氮層中的氮化物形態致密、滲層邊緣完整，無開裂及剝落現象，說明延長滲氮時間不會改變滲氮層的組織形態和滲氮層脆性。

3 結語

熱處理工藝參數對滲氮層組織形態及性能有很大影響，只有選擇合適的熱處理工藝參數才能獲得合格的滲層組織及性能。通過調整滲氮溫度、Kn值及滲氮時間，13Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料滲氮時可獲得滲層組織形態致密、邊緣完整無剝落的滲氮層組織。其中，當滲氮溫度為600℃，Kn值為0.18，滲氮時間為8 h時，滲氮層深度約為0.07 mm，表面硬度約為890HV。并且隨著滲氮時間的延長，滲氮層深度逐漸增加，滲氮層組織形態和表面硬度不變。

參考文獻

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