馬氏體不銹鋼真空固溶滲氮處理有前景

  鋼表面氮原子的固溶可在不損失耐腐蝕性能的情況下提高鋼的硬度、承載能力和疲勞強度。在氮溶解度高的Ac溫度以上奧氏體范圍，利用真空爐對馬氏體不銹鋼進(jìn)行了固溶滲氮處理。由于處理是在高溫下進(jìn)行的，所以可采用雙原子氮作為滲氮源，原因是在1050℃或1050℃以上的溫度雙原子氮會產(chǎn)生明顯的離解。爐氣氣氛中氮的溫度和分壓對特定合金內(nèi)氮的溶解度和使氮保持在固溶態(tài)的能力有直接的影響。

 為了使氮保持在固溶狀態(tài)，防止以氮化物形態(tài)析出，就需要從滲氮溫度直接進(jìn)行快速冷卻。采用后氮化低溫冷卻和低溫回火，給予鋼高的表面硬度，從而降低高表面硬化區(qū)到芯部的硬度不均勻性。

 在三種不同的壓力和溫度下對四種馬氏體不銹鋼——410、420、422和440C——進(jìn)行了固溶滲氮處理。利用Sievert律預(yù)測了壓力對氮溶解度的影響。

一、試驗詳情

 試樣為圓柱形，直徑0.5英寸，長度0.75英寸。每種合金制備了三個試樣：試樣經(jīng)過噴砂，利用酒精進(jìn)行了清洗，放入一個安裝有負(fù)載/工作熱電偶的銅線籃子中。在加熱前，利用真空泵將爐子降至10毛（1毛=1.3158×10大氣壓）的真空范圍，然后在真空中加熱至設(shè)定的預(yù)熱溫度。在高真空中加熱使不銹鋼表面的鈍化氧化鉻膜去鈍化，使鋼表面活化進(jìn)行固溶滲氮處理。

 在達(dá)到預(yù)熱溫度后，導(dǎo)入約2毛的氮分壓氣體來抵制合金蒸發(fā)，隨后繼續(xù)加熱。在滲氮溫度，氮分壓增加到表1所示的試驗壓力。溫度和氮氣壓力保持12小時，緊接著在原位以10巴（1巴=0.9869大氣壓）的氮氣進(jìn)行急冷。取出試樣，兩個小時內(nèi)在-73℃進(jìn)行深冷處理，然后在177℃進(jìn)行空氣回火。

 將試驗棒進(jìn)行切片，檢測氮含量、顯微硬度和金相組織。利用直讀原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行表面氮含量檢測。利用載荷為500g的維氏硬度壓頭檢測顯微硬度。利用全自動試驗機進(jìn)行橫斷面組織檢測，在利用Vilella試劑進(jìn)行侵蝕后，放大50~1000倍檢查了顯微組織。

二、試驗結(jié)果

 雖然沒有達(dá)到圖所示的按照Sievert律計算所預(yù)測的程度，但表1和2所示為410、420和422鋼在三種不同滲氮溫度下的表面氮含量和硬度值是隨壓力的增加而增加的。在處理后保持全馬氏體組織時，表面硬度值隨壓力而增加。就410和420而論，測得的表面氮含量比芯部氮含量高出7~8倍。隨著溫度的增加，保持恒定壓力，表面氮含量降低。從熱動力學(xué)角度，按照下述方程式，考慮合金化元素對氮溶解度的影響。由于△H。對鉻基合金產(chǎn)生不利影響，所以預(yù)計在恒定壓力條件下，隨著溫度升高，氮的溶解度降低。表面滲氮和脫氮之間的競爭表明，在滲氮溫度較高時，氮的分壓與合金濃度的增加面出現(xiàn)不平衡。

 422不銹鋼的結(jié)果表明，在2050F以上，隨著滲氮壓力增加，表面氮含量明顯降低。然而，通過固溶滲氮處理，可使表面氮含量顯著增加一個數(shù)量級或高于芯部氮含量。在2000和2050°F的溫度下，表面氮含量可高達(dá)0.35w/o。

 在440不銹鋼的情況下，橫斷面硬度與研究的其他合金顯著不同。表面硬度最低，越往芯部，硬度越高。而且，表面硬度還隨表面氮含量的增加而降低，見表所示。Cr+Ni含量越高，馬氏體開始形成溫度（Ms）越低，使淬火后的殘余奧氏體更多。440C的鉻當(dāng)量約為17，而其他合金的鉻當(dāng)量約為12~13，大家知道，氮是大家熟知的奧氏體穩(wěn)定化元素。于是，表面氮含量的增加會導(dǎo)致殘余奧氏體增多，表面硬度降低。

 使用-184℃滲氮后深冷處理來代替-73℃的處理，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，可顯著地增加高壓/高溫滲氮周期所造成的硬度。

 為了更好地理解時間和壓力對固溶滲氮的影響，在630毛和975毛的真空中對410試樣進(jìn)行了1小時的試驗。圖3的結(jié)果表明所有試樣的表面硬度相近，這說明，由于連續(xù)的離解和重新結(jié)合，有大量的新生氮產(chǎn)生，表面氮含量迅速增加。因此延長滲氮時間僅使硬化深度增加。

三、表面氮含量增加使表面硬度增加

 真空爐內(nèi)固溶滲氮的結(jié)果表明，由于金屬表面對氮氣的裂解、吸附或重新結(jié)合，緊接著進(jìn)一步的裂解起到催化作用，為表面提供了大量的新生氮源，所以表面氮含量迅速增加。所試驗的四種合金的表面氮含量都明顯增加，這樣通過固溶滲氮處理，表面硬度增加。在表面氮含量范圍為0.13%~0.35%時，表面硬度范圍為55~62HRC。

 為了防止氮化物析出，所研究的四種合金均采用10巴（1巴=0.9869大氣壓）的氮氣進(jìn)行淬火，使?jié)B氮合金迅速通過1470F（800℃）至930F（500℃）的臨界范圍。

 當(dāng)所試驗合金的表面氮含量約為0.49%時，采用10巴氮氣淬火就可產(chǎn)生人們所希望的組織。以440C合金為例，其表面氮含量最大約為0.77%時，結(jié)果表明由于有殘余奧氏體存在，表面硬度低。進(jìn)一步在-300F（-184℃）進(jìn)行后低溫處理，而不是按原試驗程序在-100F（-73℃）進(jìn)行低溫處理，將殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度從35HRC增加到62HRC。

 氮的濃度隨溫度的升高而降低。隨著壓力的降低，氮氣滲入部件的凹處和孔穴增加，這是因為氮氣的平均自由路徑增加。基于我們的試驗結(jié)果和氮在1922F以上的溫度裂解，合金的固溶滲氮處理最好在2012F（1100℃）的溫度、150的真空爐中進(jìn)行。滲氮處理時間取決于所要求的表面硬度，可根據(jù)Fick定律計算。

 當(dāng)在真空爐內(nèi)進(jìn)行高壓氮氣淬火時，對馬氏體不銹鋼進(jìn)行固溶滲氮處理是一種有效且經(jīng)濟的表面硬化工藝。這是因為這種工藝在高溫滲氮時使用的氮氣分壓較低，擴散系數(shù)高和處理時間相對短。