1、 . . . 摘要不銹鋼從20世紀初發明至今不足百年的時間，但其發展和應用的勢頭卻異常迅猛。特別是從20世紀60年代末以來，全世界不銹鋼的產量基本保持年均4的增長率，不銹鋼的應用范圍逐步擴大到了國民經濟的各個領域。不銹鋼之所以能得到如此迅猛的發展，一個重要的因素是其具有耐蝕、耐熱性。不銹鋼熱處理工藝的優劣對不銹鋼的耐蝕、耐熱性有很大影響，而且對不銹鋼的加工性能起著決定性的作用。因此，不銹鋼的熱處理工藝在不銹鋼的生產過程中一直處于十分重要的地位。奧氏體不銹鋼的高塑性、高耐蝕性、良好的焊接性能、韌性和和低溫韌性、無磁性、易加工的優點,使其在石油、化工、食品與醫藥等行業得到廣泛的應用.但由于奧氏體不

2、銹鋼的硬度偏低、耐磨性較差,使用受到一定的限制。為了提高奧氏體不銹鋼的硬度和耐磨性,應用較多的是對奧氏體不銹鋼表面進行氮化處理。傳統的不銹鋼氮化工藝雖然提高了不銹鋼的硬度,卻在氮化層中析出了氮化物,由于氮化物在奧氏體晶界擇優生長,消耗了鉻,導致奧氏體基體中的鉻減少,結果使不銹鋼的耐蝕性下降采用固溶滲氮工藝不但提高了奧氏體不銹鋼的硬度和耐磨性,而且提高了其耐蝕性能。關鍵詞： 不銹鋼 固溶滲氮 硬度 耐磨性Title： Stainless steel solid solution nitriding Abstract：Stainless steel from the beginning of th

3、e twentieth Century invention has less than a hundred years, but its development and application of the momentum very quickly. Especially from the nineteen sixties since the end of the world, stainless steel production base to maintain an average annual growth rate of 4%, the application of stainles

4、s steel is gradually extended to all areas of the national economy. Stainless steel can be so swift and violent development, an important factor in its corrosion resistance, heat resistance. Stainless steel heat treatment process the quality of stainless steel corrosion resistance, heat resistance h

5、ave great influence on the processing of stainless steel, but also plays a decisive role in the performance. Therefore, stainless steel heat treatment technology in stainless steel production process has been in a very important position.Austenitic stainless steel with high plasticity, high corrosio

6、n resistance, good welding performance, toughness and low temperature toughness, non-magnetic, easy processing advantages, so that in the petroleum, chemical, food and pharmaceutical industries are widely used. But due to low hardness, wear resistance of austenitic stainless steel is used, subject t

7、o certain restrictions. In order to improve the hardness and wear resistance of austenitic stainless steel, is widely applied on the surface of austenitic stainless steel nitriding. The traditional stainless steel nitriding process can improve the hardness of stainless steel,but in the nitride layer

8、 precipitated nitride, nitride at austenite grain boundaries due to preferential growth, consumption of chromium, lead in austenite matrix of chromium decreased, the results made of stainless steel corrosion resistance decreased by solid solution nitriding of austenitic stainless steel will not only

9、 improve the hardness and wear resistance, but also improve its corrosion resistance.Keywords : Stainless steel Solid solution nitriding Hardness Wear resistance37 / 37目錄1 緒論·····················

10、···································61.1 不銹鋼材料簡介·············

11、·································61.1.1 不銹鋼的分類···············

12、;································71.1.2 不銹鋼的主要作用···············&#

13、183;···························81.2 不銹鋼熱處理特點····················&

14、#183;·······················81.2.1 奧氏體不銹鋼························

15、·······················91.2.2 鐵素體不銹鋼·························

16、;······················101.2.3 馬氏體不銹鋼·························

17、83;·····················101.2.4 沉淀硬化型不銹鋼··························

18、;·················111.3 論文的目的和意義······························

19、83;················122 奧氏體不銹鋼固溶滲氮·······························&

20、#183;········122.1 試驗材料與方法·······································

21、······122.2 試驗結果與分析··········································

22、;···142.3 顯微硬度·············································&

23、#183;·····162.4 氮濃度分布··········································&#

24、183;······162.5 X射線分析·········································

25、83;········182.6 極化曲線········································

26、;···········192.7 試驗結論·····································&

27、#183;·············193 滲氮溫度對奧氏體不銹鋼性能的影響····························203.1 試驗材料與方法··

28、3;··········································203.2 試樣表征······

29、·············································213.3 結果與討論···&

30、#183;·············································214 不銹鋼固溶滲氮··&#

31、183;···········································244.1 固溶滲氮工藝原理····

32、·······································244.2 心部和表面層顯微組織的關系········

33、;·························254.3 最佳合金成分確定······················

34、83;····················264.4 工業固溶滲氮···························

35、83;···················275 滲氮溫度對3Cr13不銹鋼表面滲氮層組織和性能的影響············275.1 試樣制備與試驗方法···········

36、······························285.2 試驗結果與討論··················

37、;···························28結論······················&

38、#183;·····································35致···········

39、3;················································36參考文獻

40、3;·················································

41、3;·····371 緒論金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。固溶滲氮是1993年在Wiesbaden的熱處理學術研討會上作為不銹鋼表面改性新工藝提出來的。目前已完成了實驗和理論兩方面的研究。淬火后奧氏體區的表面層中是富含氮的固溶滲氮工藝參數為：滲氮溫度在11001150之間；氮氣分壓PN在1043×105Pa之間；擴散時間為24h，滲

42、氮層深度d為2.5rmm。傳統的不銹鋼滲氮工藝，一般采用的溫度為500 6OO。保溫時間為2550 h，所得的滲氮層深度為0.10.3 mm。為提高滲氮層深度，就必須提高溫度，加快擴散，井延長滲氮時間。但提高溫度，滲氮速度加快，又會使表面層的硬度有所下降。因此滲氮層淺一直是滲氮工藝中存在的問題。而固溶滲氮很好地解決了這一問題，在1 1001150溫度下使滲氮層達2.5 mm。若不銹鋼中的奧氏體不穩定，在淬火過程中轉變為馬氏體，那么固溶滲氮和傳統的滲氮工藝有很大的差別，而是與表面淬火更接近。然而根據合金的成分，淬火后也能得到高強度的奧氏體表面層。高硬度的馬氏體表面層對不銹鋼軸承、工具和齒輪很有利

43、；而高強度和韌性的奧氏體表面層可提高不銹鋼件(如液流機械中的泵和閥門等)的耐空氣和液體的腐蝕性。11 不銹鋼材料簡介不銹鋼（Stainless Steel）指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼，又稱不銹耐酸鋼。實際應用中，常將耐弱腐蝕介質腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐化學介質腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由于兩者在化學成分上的差異，前者不一定耐化學介質腐蝕，而后者則一般均具有不銹性。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素。不銹鋼基本合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，以滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。1.1.1 不銹鋼的分類不銹鋼常按組織狀態分為：馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧

44、氏體鋼與沉淀硬化不銹鋼等。另外，可按成分分為：鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳氮不銹鋼等。鐵素體不銹鋼：含鉻12%30%。其耐蝕性、韌性和可焊性隨含鉻量的增加而提高，耐氯化物應力腐蝕性能優于其他種類不銹鋼。鐵素體不銹鋼因為含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，多用于受力不大的耐酸結構與作抗氧化鋼使用。這類鋼能抵抗大氣、硝酸與鹽水溶液的腐蝕，并具有高溫抗氧化性能好、熱膨脹系數小等特點，用于硝酸與食品工廠設備，也可制作在高溫下工作的零件，如燃氣輪機零件等。奧氏體不銹鋼：含鉻大于18%，還含有 8%左右的鎳與少量鉬、鈦、氮等元素。綜合性能好，可耐多種介質腐蝕。奧氏體不銹鋼的常

45、用牌號有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9鋼的wC<0.08%，鋼號中標記為“0”。這類鋼中含有大量的Ni和Cr，使鋼在室溫下呈奧氏體狀態。這類鋼具有良好的塑性、韌性、焊接性和耐蝕性能，在氧化性和還原性介質中耐蝕性均較好，用來制作耐酸設備，如耐蝕容器與設備襯里、輸送管道、耐硝酸的設備零件等。奧氏體不銹鋼一般采用固溶處理，即將鋼加熱至10501150，然后水冷，以獲得單相奧氏體組織。奧氏體鐵素體雙相不銹鋼：兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的優點，并具有超塑性。奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%28%，Ni含量在3%10%。有些鋼還含有Mo

46、、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475脆性以與導熱系數高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優良的耐孔蝕性能，也是一種節鎳不銹鋼。馬氏體不銹鋼：強度高，但塑性和可焊性較差。馬氏體不銹鋼的常用牌號有1Cr13、3Cr13等，因含碳較高，故具有較高的強度、硬度和耐磨性，但耐蝕性稍差，用于力學性能要求較高、耐蝕性能要求一般的一些零件上，如彈簧、汽輪機葉片、水壓機閥等。這類鋼是在淬火、回火

47、處理后使用的。1.1.2 不銹鋼的主要作用不銹鋼不易產生腐蝕、點蝕、銹蝕或磨損。不銹鋼還是建筑用金屬材料中強度最高的材料之一。由于不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，所以它能使結構部件永久地保持工程設計的完整性。含鉻不銹鋼還集機械強度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造，可滿足建筑師和結構設計人員的需要。 1.2不銹鋼的熱處理特點不銹鋼從20世紀初發明至今不足百年的時間，但其發展和應用的勢頭卻異常迅猛。特別是從20世紀60年代末以來，全世界不銹鋼的產量基本保持年均4的增長率，不銹鋼的應用圍逐步擴大到了國民經濟的各個領域。不銹鋼之所以能得到如此迅猛的發展，一個重要的因素是其具有耐蝕、耐熱性。不銹鋼熱處理工

48、藝的優劣對不銹鋼的耐蝕、耐熱性有很大影響，而且對不銹鋼的加工性能起著決定性的作用。因此，不銹鋼的熱處理工藝在不銹鋼的生產過程中一直處于十分重要的地位。不銹鋼的熱處理是為了改變其物理性能、力學性能、殘余應力與恢復由于預先加工和加熱受到嚴重影響的抗腐蝕能力，以便得到不銹鋼的最佳使用性能或者使不銹鋼能夠進行進一步的冷、熱加工。所謂的熱處理就是針對不同組織、不同類型的不銹鋼進行相應的退火、淬火與回火、正火等處理。不銹鋼是一種特殊的鋼種，鋼中的鎳、鉻含量很高，由于鎳、鉻等合金化元素的存在，其熱處理具有普通鋼熱處理所不具備的特點：加熱溫度較高，加熱時間也相對較長；不銹鋼的導熱率低，在低溫時溫度均勻性差；奧

49、氏體型不銹鋼高溫膨脹較嚴重；爐氣氛控制很重要，要防止出現滲碳、滲氮與脫碳和過氧化現象；不銹鋼的表面光澤對產品的使用與價格有決定性的影響，熱處理時產生的氧化鐵皮，將嚴重影響表面光澤；要確保避免不銹鋼表面的劃傷：熱處理時產生變形。不銹鋼按其組織可以分為奧氏體、馬氏體和鐵素體三類（此外還有沉淀硬化型、鐵素體奧氏體型等），這三類不銹鋼的熱處理無論是處理方法還是目的都不盡一樣。1.2.1奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼的代表鋼種是18-8鋼（304），因為是奧氏體組織，所以具有無磁性且沒有淬硬性等特點。由于該鋼種不發生相變，其熱處理就是加熱到高溫（一般在1000以上），奧氏體再結晶的同時，使在加工中產生的碳化物

50、。相分解物固溶到奧氏體中，然后快速冷卻，使碳呈固溶狀態的奧氏體保持到常溫，這處理過程即為固溶處理。奧氏體不銹鋼加熱溫度主要是依據碳化物的固熔速度而確定的，有資料指出像304鋼的碳化物在1065時固溶需要3分鐘，在1176需要1.5分鐘，在1000則需要長達10分鐘。從這個角度而言，加熱溫度越高越好，但加熱溫度偏高同時又可能引起晶粒過分長大、氧化鐵皮增厚等缺陷。因為奧氏體型不銹鋼無法通過相變來細化晶粒，如果晶粒過大，會使材料的抗拉強度明顯下降。就加熱時間而言，不銹鋼的導熱率低（特別是在低溫時），升到高溫后（700800）導熱率才有提高。所以，對于斷面大的奧氏體不銹鋼都需要預熱到700800，然后

51、再快速升溫，對于斷面小的奧氏體不銹鋼（如帶鋼）如果升溫速度過慢，碳化物會充分析出，就會導致固溶時間過長，美國阿姆科公司曾制定過一個經典的加熱時間表（見表3-1、表3-2）。 表3-1奧氏體不銹鋼固溶處理保溫時間厚度，mm1.61.6-3.23.2-12.712.7-25.425.4保溫時間，min515306060表3-2奧氏體不銹鋼固溶處理加熱時間工作直徑或厚度，mm到固溶化的升溫時間在固溶化溫度的保溫時間6.351/2h1020min6.35-<25.43/4h0.5h25.4-<511.25h0.5-<1h51-<761.75h0.5-<1h76-<1

52、002.25h0.5-<1h為防止已固溶的碳化物析出，冷卻速度也很重要，特別是在600700時，碳化物析出較多而發生敏化，所以必須進行快速冷卻。由于奧氏體不銹鋼導熱率低，對于斷面較大的材料，無論怎樣快冷，中心部位的冷卻程度仍然很慢，往往因碳化物析出較多而發生敏化。所以在實際生產中，斷面較大的材料一般考慮采用加入Ti、Nb等元素的穩定化奧氏體不銹鋼，因為Ti、Nb等元素對碳親和力較大，這類穩定化奧氏體不銹鋼（如 321、347等）可以不需要水淬或其它快速冷卻措施進行快冷。1.2.2 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼是以鉻為主要合金元素，其含量為1230Cr。此類鋼為單相組織，沒有相變，具有強磁性。

53、其典型的代表鋼種是430。美國在60年代以降低不銹鋼成本為目標開發的廉價不銹鋼種409，廣泛地應用于汽車、摩托車的消音器和下水管道等，也是屬于鐵素體鋼。該鋼種無淬透性，同奧氏體鋼一樣不能通過熱處理使其硬化，而且由于加熱引起的晶粒長大比奧氏體鋼既快且晶粒度又大。因此在熱處理時為避免晶粒長大以與發生奧氏體相變，加熱溫度不宜過高，般退火最高加熱溫度不超過850。表3-3為鐵素體不銹鋼的參考退火溫度。表3-3鐵素鐵不銹鋼的參考退火溫度中國 GB 4237美國 AISI ASTM日本 JIS-G 4303退火溫度，1Cr17430SUS 43075085000Cr12410LSUS 410L700820

54、0Cr13Al405SUS 4057808301Cr15429SUS 4297808501Cr17Mo434SUS 434780850鐵素體不銹鋼在退火處理時，一定要縮短在370550溫度圍的停留時間，特別是對于高鉻的鐵素體不銹鋼。材料如果在此溫度圍停留時間過長，很容易發生475脆性現象，即硬度增高，延伸率大幅下降，甚至為零，同時材料的耐蝕性也降低。有實驗表明：27Cr鋼在475加熱 100小時后，材料在常溫時的抗拉強度增加50，屈服強度增加l50，而延伸率為零。此外該鋼種的焊接性能差（焊縫熱影響區晶粒粗大且脆）。1.2.3 馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼同前兩種不銹鋼的特性明顯不同，顧名思義，就是

55、從高溫奧氏體狀態快冷（淬火）轉變成馬氏體組織而成的。這類不銹鋼有明顯的相變點，可以通過淬火而硬化。而且因其含鉻高，淬透性好，回火時可以在較大圍調整其強度和韌性，因此，馬氏體不銹鋼既可以作結構鋼用，也可以作工具鋼。馬氏體不銹鋼作為工具鋼用時，處于淬火狀態。為進行淬火，必須加熱升溫到臨界點以上，以便碳化物固溶到奧氏體中。在升溫使碳化物固溶時，因碳擴散速度較慢，為得到均勻的奧氏體組織，力口熱溫度一般要比臨界點溫度高50以上，而且還必須有一定的保溫時間，以便使碳化物充分、均勻溶解。當然，加熱時間過長、加熱溫度過高會造成馬氏體組織不均勻，殘余奧氏體組織增多，從而使材料部因膨脹差而產生應力。馬氏體鋼是熱裂

56、紋敏感性鋼種，該鋼種在低溫時導熱率低，快速加熱時極易產生裂紋，因此在處理大斷面材料時，應該先預熱，然后再快速升溫。在作結構鋼用時，應在淬火的基礎上進行回火（調質狀態）。馬氏體不銹鋼有回火脆性，回火溫度一般不應低于580。從回火溫度冷卻時，為避免回火脆性一般采用油冷；有時為了得到較高的屈服極限，也可以采用空冷，但這時結構鋼的一個重要力學指標沖擊值會下降。需注意的是馬氏體不銹鋼在淬火后，應盡快回火，如不能盡快回火，材料易產生裂紋。1.2.4沉淀硬化型不銹鋼奧氏體、鐵素體、馬氏體三類不銹鋼雖然應用面較廣，但作為結構鋼使用，還存在著一些難以克服的缺陷。奧氏體型不銹鋼屈服強度較低，只有200N/mm2左

57、右，不宜作為結構鋼使用；而馬氏體不銹鋼雖然可以通過淬火、回火等熱處理形式獲得較高的屈服強度，但其耐蝕性較差。對于那些要求最佳抗蝕性能與最大強度的用途，開發出了新型的CrNi不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼（也稱PH不銹鋼）。這種新型不銹鋼的熱處理包括均勻化、完全退火、固溶熱處理、時效處理和轉變冷卻。其特點是：完全退火狀態較軟，易于再加工。通過適當的時效處理可獲得要求的力學性能。具有與同類不銹鋼一樣的耐蝕性，提高了抗應力腐蝕斷裂的性能。轉變冷卻適用于低于某溫度的冷卻。常用的沉淀硬化型不銹鋼是馬氏體型，其代表鋼種是631（0Crl7Ni7A1）。該鋼種的熱處理是先進行固溶處理，在材料加熱到10001100后

58、快冷，然后根據不同的力學性能要求，在不同溫度下進行時效處理，如621、565、510時效。1.3 論文的目的和意義不銹鋼的固溶滲氮技術在現實的生產中廣泛應用。這篇論文主要是通過各個方面對不銹鋼的固溶滲氮處理作了充分的闡述，能夠使大家充分了解到不銹鋼的固溶滲氮遠離以與應用。使之能在正常的生產中運行，也為該項技術打下了堅實的理論基礎。 2 奧氏體不銹鋼固溶滲氮奧氏體不銹鋼的高塑性、高耐蝕性、良好的焊接性能、韌性和和低溫韌性、無磁性、易加工的優點，使其在石油、化工、食品與醫藥等行業得到廣泛的應用，但由于奧氏體不銹鋼的硬度偏低(HV200250)、耐磨性較差，使用受到一定的限制為了提高輿氏體不銹鋼的硬

59、度和耐磨性，應用較多的是對奧氏體不銹鋼表面進行氮化處理。傳統的不銹鋼氮化工藝雖然提高了不銹鋼的硬度，卻在氮化層中析出了氮化物，由于氮化物在奧氏體晶界擇優生長，消耗了鉻，導致奧氏體基體中的鉻減少，結果使不銹鋼的耐蝕性下降。采用固溶滲氮工藝不但提高了奧氏體不銹鋼的硬度和耐磨性，而且提高了其耐蝕性能。2.1 試驗材料與方法2.1.1 試驗材料304奧氏體不銹鋼和904 L奧氏體不銹鋼化學成分見表1從304 板材上切取尺寸為30mmx10mmx4 mm的試樣作為滲氮試樣，從9O4 L棒材上切取尺寸為直徑lO mm×10 mm的試樣作為滲氮試樣由于奧氏體不銹鋼的表面有一層致密的具有保護護性的鈍

60、化膜（Cr2O3，NiO2等），阻礙了氮原子的滲入，因此，氮化前將試樣表面磨至500砂紙，以去除鈍化膜。2.1.2試驗方法固溶滲氮實驗在圖4-1所示的裝置中進行。將磨制好的試樣放入一端焊接密封好的不銹鋼管中，鋼管的另一端連接純氮氣瓶。將鋼管的密封端伸入到管式電阻爐中，利用插入爐中的熱電偶測定固溶滲氮溫度。本文對固溶滲氮工藝進行了較為系統的研究，工藝參數的變化圍為：固溶滲氮溫度900一1150，氮氣壓力0.1MPa一2MPa，滲氮時間2h一16h對試樣的冷卻方式采用水冷，為了觀察表面氮化物的析出情況，還對1000，1 MPa,8h氮化工藝下的試樣進行了隨爐冷卻將氮化試樣的橫截面用砂紙依次磨120

61、0 ，拋光后，用王水腐蝕在型號為JSM一6360LV的掃描電鏡下觀察試樣橫截面的金相組織用HX-1型顯微硬度計測定試樣橫截面的顯微硬度，實驗載荷為098 N從表面至心部每隔100m打三個點取其平均值部分試樣用DMax-38型x射線衍射儀進行物相分析采用EPMA1600型電子探針在橫截面上從表面向部逐點分析氮含量(電子束直徑為5m，兩點間距離為50 m200m)圖4-1 固溶滲氮裝置采用CP51綜合腐蝕測試儀與三電極體系對氮化后的試樣進行耐蝕性的測量，所用溶液為1 molL的稀硫酸。工作電極即待研究試樣，輔助電極為超純鉑片，參比電極為飽和甘汞電極，實驗所得電位均相對于飽和甘汞電極電位(SCE)，

62、綜合腐蝕測試儀的電位量程為一2000 mV+2000 mV。以60 mVmin的速度進行陽極極化掃描為了比較氮化前后的耐蝕性能，切取氮化前后面積一樣的試樣進行耐蝕試驗為了避免縫隙腐蝕發生，采用圖4-2所示的封樣方法。試樣均用砂紙依次打磨至800#。圖4-2 極化曲線測定試樣制備法2.2 試驗結果與分析2.2.1金相組織用掃描電子顯微鏡觀察滲氮層的金相組織經過固溶處理的未滲氮試樣為單相奧氏體組織(如圖4-3a，4-3c)。滲氮后爐冷試樣滲氮層有大量的氮化物在晶界上析出(如圖4-3b)，這是由于隨爐緩冷條件下，氮在奧氏體中的溶解度下降，氮化物在奧氏體晶界擇優生長。水冷試樣由于冷卻速度比較快，氮化物

63、來不與析出，氮固溶到基體中成為單相奧氏體組織(如圖4-3d)。（a）304 固溶處理未氮試樣（b）304 爐冷試樣（1050，1MPa。8h）（c）904L 固溶處理未氮試樣（d）904L水冷試樣（1050，1MPa，8h）圖4-3 試樣表面的金屬組織2.3 顯微硬度部分試樣橫截面上的的顯微硬度測量結果如圖4-4所示。結果表明氮化后試樣的顯微硬度從表面至心部逐漸降低。904L在1000，1MPa，8h水冷的氮化工藝條件下，表而顯微硬度為HV270左右，在距離表面0.5 mm處，其顯微硬度與未滲氮試樣一樣；304在1050，1MPa，12h水冷的氮化工藝條件下，表面顯微硬度為HV294左右，在距

64、離表面0.6mm處，其顯微硬度與未滲氮試樣一樣。（a）904 L（b）304圖4-4 904L和304奧氏體不銹鋼的顯微硬度分布2.4 氮濃度分布304滲氮后試樣橫截面的電子探針測量的氮濃度分布結果如圖4-5所示。圖4-5(a)為氮氣壓力1MPa、保溫時間4h，不同滲氮溫度的氮濃度分布曲線。從圖中可以看出，滲氮溫度在900至1150變化時。試樣表面的氮含量隨溫度的升高而增加，900時表面氮含量為0.330，1 000時為0.434，1150時為0.563隨著滲氮溫度的升高，滲氮層的氮濃度分布曲線越來越平緩圖4-5(b)為滲氮溫度l050、氮氣壓力1MPa，不同保溫時間的氨濃度分布曲線。從圖中可

65、以看到，保溫時間在2h16h變化時，試樣表面氮含量的變化不大，試樣表面氮含量都在0.50左右。隨著保溫時間的延長，其濃度分布曲線越來越平緩。圖4-5(c)為滲氮溫度為1050、保溫時間4h時，不同氮氣壓力下的氮濃度分布曲線從圖4-5(c)中可以看到，氮氣壓力在0.1MPa2.0MPa變化時，試樣表面氮含量隨氮氣壓力的增大而增加，滲氮壓力為0.1MPa時，試樣表面氮含量為0.165，滲氮壓力為1MPa時，試樣表面的氮含量為0.96，2.0MPa樣表面氮含量可達到0.750隨氮氣壓力的增大滲氮層深度變化不大，其氮濃度分布曲線也比較接近。圖4-5 不同氮化條件下的氮濃度分布2.5 X射線分析904L

66、固溶滲氮試樣的x射線衍射分析結果如圖4-6所示圖4-6(a)為1000，1MPa，8h水冷的氮化工藝條件下試樣的x射線衍射圖，只有r相圖4-6(b)為10001MPa，8h氮化工藝條件下爐冷試樣的x射線衍射圖，除了r相，還出現了CrN相這是由于固溶滲氮試樣爐冷時，r相溶氮氮能力下降，結果使表面析出了CrN。水冷由于冷速快，抑制了CrN的析出，氮固溶到奧氏體，使試樣表層為單相高氮奧氏體。圖4-6 904L固溶滲氮試樣的X射線衍射圖2.6 極化曲線304奧氏體不銹鋼在1molL的硫酸溶液中的陽極極化曲線如圖4-7所示。氮化試樣的鈍態電流密度明顯低于未氮化試樣，由于金屬腐蝕速率與其腐蝕電流密度成正比

67、，因此，可用腐蝕電流密度來表示腐蝕速度的大小。圖4-7表明在鈍化狀態下氮化試樣的腐蝕率低于未氮化試樣，而且氮化試樣的鈍態圍也比未氮化試樣寬，鈍化膜破壞電位較未氮化試樣高。實驗后用放大鏡觀察氮化后試樣表面，無點蝕發生。該極化曲線在1700 mV以上的電流密度突然增大，是由于鈍化膜被破壞。圖4-7 304奧氏體不銹鋼在1mol/L的硫酸溶液中的陽極極化曲線2.7 試驗結論2.7.1奧氏體不銹鋼經固溶滲氮，滲氮溫度在9001 150之間、保溫時間在2h16h之間、滲氮壓力在01MPa一2MPa之間變化時。表面氮濃度在03300.750之間變化，表面氮濃度隨溫度的升高而增加，隨壓力的增大而增加滲氮層深

68、度隨時間的延長而增加。2.7.2奧氏體不銹鋼固溶滲氮會明顯提高其顯微硬度。304不銹鋼奧氏體的顯微硬度由氮化前的HV220左右提高到HV290左右，提高了31.8；904L奧氏體不銹鋼的顯微硬度由氮化前的HV200左右提高到HV270左右，提高了35.0。2.7.3奧氏體不銹鋼經固溶滲氮水冷，表面將形成單相奧氏體；而在爐冷條件下，除了奧氏體相外，表面還析出了CrN相。2.7.4奧氏體不銹鋼經固溶滲氮后，獲得了優于未氮化試樣的耐蝕性能。3 滲氮溫度對奧氏體不銹鋼性能的形象不銹鋼具有表面美觀、耐腐蝕性能好、韌性好、容易塑性加工、焊接性能好等特性，廣泛用于石油、化工、食品、醫療和紡織機械等行業。但由

69、于不銹鋼的硬度低、耐磨性差，使其在許多場合的應用受到限制，尤其是在腐蝕、磨損和重載等多種因素同時存在的條件下，顯著縮短不銹鋼零件的使用壽命。通過離子滲氮提高不銹鋼的表面強度，從而提高其耐磨性能來延長使用壽命是一種有效的方法奧氏體不銹鋼不能通過相變進行強化，而且常規離子滲氮由于滲氮溫度高(500以上)，滲層中有Cr 的氮化物析出，使基體貧鉻，在表面硬度顯著提高的同時表面耐腐蝕性能嚴重惡化，失去了不銹鋼的特性。本文利用自行研制的直流脈沖離子滲氮設備，對奧氏體不銹鋼進行低溫離子滲氮處理，在其耐腐蝕性基本保持不變的情況下提高其表面硬度，從而提高其耐磨性能，同時與常規滲氮溫度下的離子滲氮處理試樣進行比較

70、。3.1 試驗材料與方法3.1.1試驗過程試驗在自行研制的30kW 直流脈沖離子滲氮爐進行。直流脈沖電源的參數為電壓01000V可調，占空比15%85%可調，頻率1kHz。測溫系統由紅外測溫儀IT-8 測量。試樣的材料為18Cr-12Ni-2.5Mo奧氏體不銹鋼，其化學成分(質量分數，%) 為：0.06C，19.23Cr，11.26Ni，2.67Mo，1.86Mn，余為Fe；試樣尺寸準24mm×10mm。實驗前依次用水磨砂紙打磨試樣，去油污，酒精清洗吹干，放到陰極盤的中央，抽真空到50Pa以下。試驗分兩組進行，一組采用低溫離子滲氮方法，即加NH3進行離子滲氮(記為S1)，保溫溫度為4

71、50；另一組采用常規離子滲氮方法，即加NH3進行離子滲氮(記為S2)，保溫溫度為520。兩組實驗條件均為：在試樣加熱到保溫溫度前采用高電壓低氣壓，加強離子濺射，去除不銹鋼表面的鈍化層；保溫時氣壓為250300 Pa，電壓為650750V，占空比根據溫度調整，保溫時間均為4 h，保溫結束后繼續通NH3抽真空保護，自然冷卻到室溫后開爐，取出試樣。3.2 試樣表征剖開處理后的試樣，依次用水磨砂紙打磨橫截面，金相砂紙打磨，拋光機拋光，再用腐蝕液腐蝕(腐蝕液配方為：CuCl2 2g、HCl10g、乙醇10g )。利用HX-1000 型顯微硬度計測量試樣滲氮層橫截面的硬度梯度；通過倒置金相顯微鏡ICM40

72、5 表征試樣的滲氮層形貌；耐磨試驗是在立軸盤-銷式摩擦磨損試驗機MPX2000 上進行；耐腐蝕試驗是將試樣置于0.5mol/LNaCl+ 0.3mol/LHCl 的溶液中，室溫(約25)下浸泡24 h 后，用TG328A分析天平稱重，用失重率來評價耐腐蝕性能。3.3 結果與討論3.3.1 顯微硬度和金相顯微鏡檢測圖5-1為試樣S1、S2的滲氮層硬度梯度曲線。由于所得到的滲層比較薄，試驗用小的載荷測量準確，采用50g載荷，載荷時間為15s。S1的表面硬度1180HV0.05，S2的表面硬度為1250HV0.05。從圖5-1可以看出，試樣S1、S2的表面硬度是基體的45 倍。低溫離子滲氮(450)

73、得到的滲氮層硬度梯度大；而常規離子滲氮(520)硬度梯度較為平緩，與低溫離子滲氮相比，常規離子滲氮層的硬度梯度得到了較大的改善。圖5-2為試樣橫截面滲層金相圖，其中圖5-2(a)為試樣S1的橫截面滲層金相圖，圖5-2(b)為S2的橫截面滲層金相圖，其滲層深度為65m。圖5-1 滲氮層硬度梯度曲線圖5-2 滲氮層顯微金相圖在離子滲氮過程中，保溫之前采用高電壓(1000V)、低氣壓(100120Pa)加強離子濺射去除試樣表面的鈍化層。通過加強離子濺射，可全方位、較均勻地摧毀不銹鋼表面的原生鈍化膜和再生鈍化膜， 活化金屬表層和亞表層，使不銹鋼表面晶格缺陷或位錯密度增加，有利于N的吸附和擴散。由圖5-

74、1可以看出，低溫離子滲氮，雖然表面也得到高的硬度，但是滲層淺，硬度梯度大。其原因是滲氮溫度低，活性N離子少，N離子擴散系數關系式為：D=D0E-Q/RT。式中：D0和Q 為N在Fe 的不同相中擴散的常數?？芍?，擴散系數與溫度密切相關，同時鉻與氮元素之間具有很強的親和力，也限制了氮的擴散，因此低溫離子滲氮時得到的滲氮層薄。而當溫度升高后，活性N離子多，N離了擴散加快，得到的滲氮層比較厚。從圖5-2的滲氮層微觀組織來看，試樣S1的滲氮層經腐蝕液腐蝕后呈白亮色，沒有看到明顯的滲氮層；而試樣S2的滲氮層經腐蝕液腐蝕后呈黑灰色。說明在450滲氮處理時滲層中沒有鉻的氮化物析出，低溫離子滲氮形成了過飽和奧氏

75、體固溶體；而在520滲氮處理時有鉻的氮化物析出。3.3.2 滲氮溫度對耐磨性能的影響圖5-3為奧氏體不銹鋼離子滲氮處理前后耐磨性能的對比圖。實驗所加載荷為10N，轉速為80 r/min，時間為15h。由圖5-3可見，經過滲氮處理的奧氏體不銹鋼其耐磨性能比未處理時提高了45 倍。低溫離子滲氮(S1)由于滲層淺， 其耐磨性能比常規溫度下的離子滲氮(S2)稍差。奧氏體不銹鋼經離子滲氮后，由于其表面生成了CrN、Cr2N，而CrN比FeN 的生成熱高，因而更穩定，硬度也更高，耐磨性能得到了很大的提高。圖5-3 奧氏體不銹鋼滲氮前后的磨損量3.3.3 滲氮溫度對耐腐蝕性能的影響把經過離子滲氮處理和未處理

76、的試樣放入0.5mol/LNaCl+0.3 mol/LHCl 溶液中于室溫(約25)下浸泡24 h，可明顯看到，浸泡經常規溫度離子滲氮處理后試樣的腐蝕液變為混濁。從腐蝕液中取出試樣吹干后用分析天平稱出它們的質量，與浸泡前的質量相比，未經滲氮處理、低溫滲氮處理和常規溫度滲氮處理試樣的失重率分別為2.8×10-2、3.0×10-2和6.5×10-2 mg/mm2·h。未經滲氮處理的奧氏體不銹鋼由于其表面形成了一層Cr的氧化膜(鈍化層)而起到保護基體作用，因而耐腐蝕性好；低溫離子滲氮后其耐腐蝕性基本不變，原因是其表面形成了過飽和奧氏體固溶體，沒有鉻的氮化物析出

77、；而經520滲氮處理的奧氏體不銹鋼其耐腐蝕性能有較大的下降，原因是Cr與N的親和力比Fe 與N 的強，滲層中有大量Cr的氮化物(CrN、Cr2N)析出，使基體貧鉻，在表面硬度顯著提高的同時表面耐腐蝕性能嚴重惡化。3.3.4采用低溫和常規滲氮溫度對奧氏體不銹鋼進行離子滲氮，滲氮層的顯微硬度均達到1150HV0.05以上，低溫離子滲氮得到的滲氮層較薄，硬度梯度大。3.3.5奧氏體不銹鋼經過低溫離子滲氮后，其耐磨性能提高45倍，而耐腐蝕性基本保持不變；常規滲氮溫度下離子滲氮，雖然耐磨性能也提高45倍，但由于奧氏體不銹鋼表面有鉻的氮化物析出，使其耐腐蝕性能大幅度下降。4 不銹鋼固溶滲氮傳統的不銹鋼滲氮

78、工藝，一般采用的溫度為5006OO。保溫時間為2550 h，所得的滲氮層深度為0.10.3mm。為提高滲氨層深度，就必須提高溫度，加快擴散，并延長滲氮時間。但提高溫度，滲氮速度加快，又會使表面層的硬度有所下降。因此滲氮層淺一直是滲氮工藝中存在的問題。而固溶滲氮很好地解決了這一問題，在11001150溫度下使滲氮層達2.5 mm。若不銹鋼中的奧氏體不穩定，在淬火過程中轉變為馬氏體，那么固溶滲氮和傳統的滲氮工藝有很大的差別，而是與表面淬火更接近。然而根據合金的成分，淬火后也能得到高強度的奧氏體表面層。高硬度的馬氏體表面層對不銹鋼軸承、工具和齒輪很有利；而高強度和韌性的奧氏體表面層可提高不銹鋼件(如

79、液流機械中的泵和閥門等)的耐空氣和體的腐蝕性。固溶滲氮成本很低可替代加壓冶金或粉末冶金生產的高氮鋼。最近這些年，氮是影響高合金鋼發展的主要因素。固溶滲氮工藝至少可改變表面層性能。使高合金鋼在工業生產中廣泛應用。4.1 固溶滲氮工藝原理在固溶滲氮中氣氛中氮的活度和溶入鋼表面氮的活度之間達到平衡。表面上氮的平衡含量取決于三個因素：滲氮溫度TN、氮氣分壓PN和合金元素的含量c。隨溫度的升高氮的溶解度增大：隨PN的增加，氮的溶解度增大；而合金元素與氮的吸引力增強可提高氮的溶解度。合金元素與氮的吸引力由大到小的順序依次為：N、C、Si、Al、Ni、Co、Cu、W、Mo、Mn、Cr、Nb、V、Ti。其中Nb、V、Ti對氮的吸引力最大，但幾乎不使用，因為在TN下， Nb、V、Ti在鋼中的溶解度很低，形成不溶的氮化物析出。因此Cr是主要的合金元素。不銹鋼最適于固溶滲氮。氮在鋼中的擴散遵守Fick第二定律。表面上氮的濃度隨距表面的距離的增大而減小。假如不銹鋼無方向性且恒定的擴散，井和濃度無關，那么利用擴散曲線，就可以計算出dN。由于N和cr之間強的吸引力，與純鐵相比，不銹鋼中氮的擴散將受到阻礙。為限制保溫