热处理工艺参数对13Cr11Ni2W2MoV渗氮组织及性能的影响

    王凤

    

    

    

    摘? 要：该文对13Cr11Ni2W2MoV不锈钢材料进行气体渗氮，用金相显微镜观察渗层氮化物组织形态，用显微硬度计检测渗层表面硬度，研究渗氮温度、渗氮时间、Kn值对渗层组织形态和表面硬度的影响。结果表明，渗氮工艺参数中，Kn值对渗层组织形态和表面硬度影响较大，当渗氮温度为600 ℃，Kn值降低到0.18，渗氮时间为8 h时，可获得完整、致密的渗层氮化物组织和890 HV的表面硬度，并且随着渗氮时间的延长，渗氮层厚度逐渐增加。

    关键词：渗氮;Kn值;渗层组织

    中图分类号：TG26? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    13Cr11Ni2W2MoV不锈钢具有较好的韧性和耐蚀性能，在航空航天领域得到广泛应用，但其耐磨性较差，影响零件的使用寿命。渗氮是提高不锈钢材料表面硬度时最广泛使用的表面处理技术之一，其优点是热处理温度低、畸变小，能显著提高零件表面的耐磨性能，从而延长零件的使用寿命。

    气体渗氮的工作原理是利用氨气在一定温度下分解出活性氮原子，向不锈钢材料表面渗入并扩散形成高硬度的铁氮化合物，而热处理工艺参数对渗层组织形态及表面硬度等性能有很大影响，如渗氮温度过高或渗氮时间过长或Kn值过高均会使渗入的氮原子在晶界处大量聚集，当内外应力过大时，形成的高氮化合物就会沿着晶界开裂，只有选择合适的热处理工艺参数，才能获得合格的渗层组织及所需性能。该文研究热处理工艺参数，如渗氮温度、Kn值（氨分解率）和渗氮时间对13Cr11Ni2W2MoV不锈钢渗氮组织及性能的影响，以获得合格的渗层氮化物组织和表面硬度。

    1 试验材料与方法

    该试验所用的材料为退火态的13Cr11Ni2W2MoV棒料，通过机械加工的方法加工试样。试样尺寸为φ10×20 mm，表面粗糙度为Ra 0.8 μm，数量为20个，将试样刻号进行区分。1）对所有试样进行固溶、时效处理。工艺参数：固溶：1 000℃，保温80 min，氩气冷却，时效：660 ℃，保温100 min，氩气冷卻。2）渗氮前在所有试样表面液体喷砂去钝化膜，工艺参数：白刚玉150目，风压0.3 MPa，时间2 min，液体喷砂后试样表面为均匀的灰色。3）选取8个试样，每组2个，进行不同温度的渗氮处理，工艺参数：渗氮温度分别为540 ℃、560 ℃、580 ℃和600 ℃，保温时间均为20 h，Kn值均为2.18。4）选取8个试样，每组2个，进行不同Kn值的渗氮处理，工艺参数：渗氮温度为600 ℃，保温时间为8 h，Kn值分别为1.33、0.79、0.43、0.18。5）选取4个试样，每组2个，进行不同时间的渗氮处理，工艺参数：渗氮温度为600 ℃，Kn值为0.18，保温时间分别为12 h、16 h。6）渗氮后的试样用砂轮将表面的渗氮层全部打磨掉，用砂纸将其表面磨光后用抛光机将表面抛至光亮，然后用FeCl3+HCl溶液腐蚀表面，腐蚀后用金相显微镜观察渗氮层的组织形态，用显微硬度计检测渗氮层的表面硬度。

    2 试验结果与分析

    2.1 渗氮温度对渗层组织形态及性能的影响

    如图1所示，用金相显微镜在500X下观看渗氮层的组织形态。可以看到在不同的渗氮温度下，渗氮层中的氮化物沿着晶界处均形成网状并伴有开裂现象，而且渗氮层边缘参差不齐、剥落严重。用显微硬度计检测渗氮层表面硬度，不同的渗氮温度下，表面硬度值为1 000 HV～1 100 HV。

    根据渗氮层组织形态及表面硬度结果进行分析可知，渗氮层产生裂纹应该有2个方面的原因。1） 渗氮过程中氮原子浓度过高，大量的氮原子渗入表面，快速地在晶界处聚集，形成的氮化物导致晶界处应力过大，从而使渗层组织开裂。2）渗氮时间过长，在渗氮环境下，氮原子不断地渗入表面，同样导致晶界处应力过大，从而使渗氮层组织开裂。因此渗氮热处理工艺参数调整的方向为提高渗氮温度，缩短渗氮时间，降低Kn值，以此来改善渗氮层组织形态。

    2.2 Kn值对渗层组织形态及性能的影响

    如图2所示，用金相显微镜在500X下观看渗氮层的组织形态。可以看到，当Kn值为1.33和0.79时，渗氮层中氮化物沿着晶界处仍有开裂现象，但渗氮层开裂及边缘剥落的严重程度已有所好转;当Kn值为0.43时，渗氮层中氮化物无开裂现象，但渗氮层边缘处有少许剥落，其渗层深度约为0.19 mm，表面硬度约为920 HV;当Kn值降到0.18时，渗氮层中氮化物无开裂现象并且边缘完整无剥落，其渗层深度约为0.07 mm，表面硬度约为890 HV。

    根据渗氮层组织形态及表面硬度结果进行分析可知，提高渗氮温度，缩短渗氮时间，降低Kn值，可明显改善渗氮层的组织形态并降低渗氮层脆性，并且随着Kn值的不断降低，渗层中氮化物形态致密、渗层边缘完整，无开裂及剥落现象。说明13Cr11Ni2W2MoV不锈钢材料在渗氮时对Kn值特别敏感，只有严格控制氮原子浓度才能获得合格的渗层组织。

    2.3 渗氮时间对渗层组织形态及性能的影响

    如图3所示，用金相显微镜在100X下观看渗氮层的组织形态。可以看到当渗氮温度为600 ℃，Kn值为0.18，渗氮时间为12 h时，渗氮层深度约为0.12 mm，表面硬度约为875HV。当渗氮温度为600 ℃，Kn值为0.18，渗氮时间为16 h时，渗氮层深度约为0.26 mm，表面硬度约为870HV。对渗氮层组织形态及表面硬度结果进行分析可知，增加渗氮时间，渗氮层深度随之增加，并且渗氮层中的氮化物形态致密、渗层边缘完整，无开裂及剥落现象，说明延长渗氮时间不会改变渗氮层的组织形态和渗氮层脆性。

    3 结语

    热处理工艺参数对渗氮层组织形态及性能有很大影响，只有选择合适的热处理工艺参数才能获得合格的渗层组织及性能。通过调整渗氮温度、Kn值及渗氮时间，13Cr11Ni2W2MoV不锈钢材料渗氮时可获得渗层组织形态致密、边缘完整无剥落的渗氮层组织。其中，当渗氮温度为600℃，Kn值为0.18，渗氮时间为8 h时，渗氮层深度约为0.07 mm，表面硬度约为890HV。并且随着渗氮时间的延长，渗氮层深度逐渐增加，渗氮层组织形态和表面硬度不变。

    参考文献

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