化學熱處理工藝對UNIMAX鋼滲氮層組織性能演變規律的影響

＊曹文峰 賀瑞軍 王曉穎 周舸 田野*

（1.北京航空材料研究院 北京 100095 2.沈陽工業大學材料科學與工程學院 遼寧 110870）

UNIAMX鋼具有較高的比強度、比模量，廣泛應用于航空、航天及汽車等領域，是優質模具鋼的首選材料。由于其性能顯著受化學成分、加工過程、內部顯微結構特征、工作溫度、載荷性質、甚至材料在使用過程中所處的環境等因素影響，生產技術和質量控制目前尚不穩定，易出現表面磨損、表面裂紋、使用壽命低等問題，嚴重限制了其應用前景[1]。在工業應用中，通常使用表面滲氮技術來進行表面改性，以此提高模具壽命。而離子滲氮技術相比于傳統的氣體滲氮、鹽浴滲氮等技術，具有滲氮速度快、環境污染小、成本更低等優點，在工業中得到了越來越廣泛地應用。

在離子滲氮過程中，模具表面會形成滲氮層，它由最外層的化合物層以及內部較深的滲氮層組成。化合物層一般稱為白亮層，主要由ε-Fe2,3N以及γ’-Fe4N組成，具有硬度高、脆性大的特點，在磨損初期可以提高表面耐磨性，但隨著磨損進行，破碎后會加劇磨損進行[2]。所以，在離子滲氮過程中，需要通過控制離子滲氮參數來控制化合物層的形成，同時還要保證滲氮層有足夠的深度。而滲氮溫度是影響離子滲氮過程的一個重要參數。文獻[3-4]報道隨著溫度的升高，能夠為離子滲氮過程提供更多能量，可以獲得更深的滲氮層深度，但同時化合物層深度也會變大。文獻[1]雖然對UNIMAX鋼離子滲氮工藝進行了相關研究，但是關于在不同溫度下UNIMAX鋼組織變化以及性能變化研究相對較少。因此，需要展開UNIMAX鋼在不同溫度下的組織變化以及性能的基礎研究。

本文采用真空離子滲氮爐，通過調節滲氮溫度，系統研究了在離子滲氮過程中不同溫度對UNIMAX鋼表面化合物層、擴散層中的相組成以及滲層深度的影響，并結合滲氮層表面硬度、脆性分析，獲得了UNIMAX鋼離子氮化過程溫度對滲層組織性能的影響規律，相關研究結果預期可為長壽命UNIMAX鋼的研制提供參考依據。

1.實驗材料及方法

(1)實驗材料

本實驗使用瑞典ASSAB生產的UNIMAX鋼，成分如表1所示。

表1 UNIMAX鋼化學成分表

(2)實驗方法

將原材料經過1025℃真空氣淬后，在525℃條件下回火兩次，每次回火2h后，制成φ20mm×5mm大小的柱狀試樣。在滲氮前對試樣進行打磨、拋光以及超聲清洗等處理。

實驗設備為RüBIG真空離子滲氮爐，滲氮時間20h，滲氮壓力250Pa，滲氮氣氛中N2與H2的體積比例為1:3，混合氣體流速60L/h，滲氮溫度分別為480℃、500℃、520℃、540℃對應編號為1#、2#、3#、4#，升溫速率4℃/min。

滲氮樣品截面經過鑲嵌后依次使用240#、400#、600#、800#、1000#、1500#、2000#水砂紙打磨，并使用3.5μm金剛石研磨劑進行拋光，拋光后使用4%硝酸酒精溶液腐蝕。使用Leica PL-A662型號金相顯微鏡觀察樣品金相組織；使用Bruker X射線衍射儀（XRD）表征樣品物相組成，掃描角度10°～80°，掃描速度為2°/min；使用FUTURE-TECH FM-700型號顯微硬度計測量表面硬度，同時測量表面顯微硬度及截面硬度梯度分布；使用FUTURE-TECH FV-700型號顯微維氏硬度計測量表面脆性。

2.結果與分析

(1)滲氮溫度對深度的影響

滲層深度的測定依據國標GB/T 11354-2005中的硬度法進行測定，得到1#-4#滲層深度值為165μm、213μm、276μm、334μm，圖2為測得的試樣截面硬度梯度圖。由以上數據可以看出，隨著滲氮溫度升高，滲層深度也升高。

在文獻[5]報道中，N以反應擴散的方式向內部擴散。擴散的驅動力為化學位梯度，當濃度梯度一定時，原子擴散取決于擴散系數D。根據阿倫尼烏斯公式：

其中，D為擴散系數；D0為擴散常數；Q為擴散激活能；R為氣體常數；T為熱力學溫度。溫度越高，擴散驅動力越大，擴散速度越快，得到的滲層深度越深。

(2)滲氮氣氛對滲層物相組成的影響

利用Jade對所得到的不同滲氮氣氛下XRD圖譜（圖2）進行定性分析可以看出1#-4#樣品滲氮層表面均有ε-Fe2,3N以及γ’-Fe4N相。使用絕熱法[6]計算ε-Fe2,3N以及γ’-Fe4N相對含量，公式為（2）（3）所示：

式中，x為待測物質的相對含量；I為待測物相最強峰衍射強度；K為待測物相參比強度值。

從PDF標準卡片86-0232以及86-0231上查得Kε=6.84，Kγ’=7.09。使用公式（2）（3）計算ε-Fe2,3N以及γ’-Fe4N相含量，結果如表2所示。

表2 不同溫度下各相相對含量

上述結果表明，隨著滲氮溫度的升高，滲氮層表面γ’-Fe4N相對含量降低，ε-Fe2,3N相對含量升高。

圖3金相組織照片中，可以得到3#以及4#樣品化合物層深度均為7μm，而1#和2#樣品未出現明顯的化合物層。同時在3#、4#樣品中出現了明顯的脈狀氮化物組織，而在4#樣品中這一現象尤為明顯。說明滲氮溫度超過500℃時，滲氮層表面會形成明顯的化合物層；而溫度升高促進氮化物沿著晶界析出并且聚集長大，互相連接形成脈狀組織，使得擴散層組織惡化。從結果可以看出，在480℃以及500℃的滲氮環境下，可以獲得相對較好的滲氮層組織。

(3)滲氮溫度對滲層性能的影響

圖4為不同樣品表面硬度數據以及偏差圖，1#-4#樣品表面硬度分別為1076HV0.2、1164HV0.2、1153HV0.2、1115HV0.2。可以看出，3#表面硬度最大，而4#與其他組相比表面硬度的不均勻性最大。在離子滲氮過程中，生成的硬脆相ε-Fe2,3N相可以提高表面硬度，同時在離子滲氮過程中生成ε-Fe2,3N相和γ’-Fe4N相，造成晶格畸變，產生殘余壓應力，提高了表面硬度[7-8]。而4#試樣雖然ε-Fe2,3N相含量高，但不均勻的氮化組織以及脈狀氮化物組織使得表面硬度下降。

圖5為1#-4#樣品維氏壓痕圖，根據國家標準GB/T 11354-2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》對滲層脆性等級進行評級。其中，1#、2#、3#壓痕邊角完整無缺損，脆性級別為1級，而4#試樣兩邊破碎，脆性級別為3級，韌性較差。從滲層物相的分析中可以看出，隨著滲氮溫度的升高，γ’-Fe4N相對含量降低，ε-Fe2,3N相對含量升高。而ε-Fe2,3N相為面心立方結構，γ’-Fe4N為密排六方結構，密排六方結構相比面心立方結構具有更多的滑移系，在沖擊過程中更易吸收更多沖擊功，并且不容易破碎。所以，γ’-Fe4N相展現出比ε-Fe2,3N相更好的韌性。因此，當滲氮溫度升高，滲層脆性提高，韌性下降[9-10]。

3.結語

（1）在離子滲氮過程中，隨著滲氮溫度提高，化合物層深度也會提高；而當溫度達到520℃時，表面滲氮層會生成明顯的化合物層。

（2）離子滲氮過程中滲氮溫度的變化也會對滲氮組織產生影響。隨著滲氮溫度的提高，氮化物沿著晶界析出、長大并互相連結，形成明顯的脈狀氮化物組織，使得滲氮組織惡化，并且最終影響表面硬度。

（3）離子滲氮處理后，材料表面硬度地得到了明顯提升，在滲氮溫度為520℃時，最高硬度可以達到1164HV0.2。同時，隨著滲氮溫度的提高，γ’-Fe4N相對含量降低，ε-Fe2,3N相對含量升高。在實驗研究的溫度范圍內，滲氮溫度不高于520℃時，可以獲得韌性較好的表面滲氮層。從以上結果可以看出，滲氮溫度在500℃時，離子滲氮不僅能夠獲得性能優異的滲氮層組織，同時還能夠保證足夠的滲層深度。