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热处理工艺参数对13Cr11Ni2W2MoV渗氮组织及性能的影响

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  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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