3Cr13等离子表面渗氮

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程东，高原，唐光辉，陈战IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

（桂林电子科技大学，桂林，541004  武汉首发材料科技有限公司，武汉，430064）IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

摘要：对3Cr13不锈钢进行等离子渗氮处理，并对渗氮后的试样进行金相组织观察、硬度检测、x射线衍射物相分析以及电化学腐蚀性能测试。结果表明：450℃×9h渗氮后，渗氮层厚度达35μm，表面硬度达HV1020，渗氮层物相主要为：Fe3N、Fe2N 、Fe2C；550℃×9h渗氮后渗氮层厚度达100μm，表面硬度达HV1280，渗氮层物相主要为：Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN；450℃×9h渗氮在3.5%的NaCl溶液中耐腐蚀性能提高，550℃×9h渗氮，在3.5%的NaCl溶液中耐腐蚀性能则降低。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

关键词：3Cr13不锈钢；等离子；渗氮；耐腐蚀性IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3Cr13钢为我国应用较多的不锈钢之一。通过合适的热处理工艺可充分发挥该钢的内在潜力，改善性能，大幅度提高其使用寿命和耐蚀性[1]。近年来，该钢的热处理工艺取得明显进展，但目前应用较为先进的等离子表面技术进行表面改性研究较少，国内外也鲜有报道。因此，开展这方面的研究工作有重要的实用价值和理论意义。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

不锈钢因其表面有一致密的Cr2O3钝化膜，用其他方法较难进行表面处理。采用等离子技术对其进行表面处理具有明显优势。离子轰击可以很容易将这层膜破坏，省去了打磨、抛光、清洗、化学去钝等繁重工作[2]-[3]，离子处理技术又有速度快，效果好，干净清洁等许多优点，故发展潜力巨大。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

本研究利用等离子对3Cr13钢进行氮化处理。对其工艺、组织、结构性能以及耐腐蚀性进行研究。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1 试验材料及工艺IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

试验用3Cr13不锈钢化学成分如表1, 原始硬度为HV242。工艺参数如表2。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

表1  3Cr13钢的化学成分(wt%)IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

Tab.1  chemical composition of 3Cr13 stainless steel(wt%)IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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表2  实验工艺参数IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

Tab.2  parameters of experimental technologyIAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2 试验结果分析IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2.1  光学显微镜观察及扫描电镜观测IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 3Cr13不锈钢经等离子渗氮550℃×9h处理后，从光学显微镜观察由表及里依次为白亮层→扩散层→过渡层→基体，见图1。由图1可见，白亮层位于试样的最外层，IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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抗腐蚀性好，经侵蚀剂FeCl3+HCl溶液侵蚀呈白亮色，白亮层向内是扩散层，平均厚度约为100μm，硬度为1280HV。经侵蚀剂FeCl3+HCl溶液侵蚀后也呈白亮状。再向内是由氮和铬在a-Fe中的固溶体+析出的细小铬的碳化物组成的过渡层，耐腐蚀性能较差，经腐蚀剂腐蚀后变黑。之后是基体组织，是由基体+碳化物组成。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

渗层的SEM照片如图2，可以看出渗层表面有一不连续的白亮层。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3Cr13不锈钢经等离子渗氮450℃×9h处理后的金相照片如图3。扩散层的平均厚度约为35μm，硬度为1020HV。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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图3 450℃×9h渗氮层的显微形貌（FeCl3+HCl溶液）×100IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

Fig.3 Microstructure of the nitriding layer(450℃×9h) ×100IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2.2渗氮层的相结构分析IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

     用X射线衍射仪对渗氮层的相结构进行了衍射分析。图4和图5为经渗氮550℃×9h、450℃×9h处理后表层的X射线图谱。X射线衍射分析结果表明, 550℃×9h确认含有Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN，450℃×9h渗氮样确认含有Fe3N、Fe2N 、Fe2C。这些相的出现是硬度提高的主要原因。由于550℃×9h渗氮层有Cr23C6及CrN出现，对硬度的提高幅度更大。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

低温渗氮形成过饱和固溶体，可能是温度低，氮的扩散慢，合金元素铬扩散更加困难，同时因铬与氮元素之间具有很强的亲和力，也限制了氮的扩散，故易形成含氮量很高的过饱和固溶体薄层。当温度升高时铬氮都能比较容易地进行较长距离扩散，相互结合形成CrN析出，使基体贫铬。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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2.3 渗氮后的电化学性能IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

 电化学性能测试前，将原始样和渗氮样底面焊接上铜导线引出，使用环氧树脂封装，露出实验工作面。工作面依次经240，400及600号砂纸逐级打磨，蒸馏水冲净，吹干后备用。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

电化学测试采用三电极体系。参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极是铂片。采用北京中腐防蚀工程技术有限公司生产的PS-268A型电化学测量仪，对其氮化前后试样进行极化曲线测量，如图6。扫描速度1mv/s。腐蚀数据由PS-268A绘图软件拟合求得列于表3。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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图6 原始样及渗氮后在3.5%NaCl溶液中的极化曲线IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

Fig.6 Polarization curves of the nitriding and primitive samples in 3.5%NaClIAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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表3  3Cr13渗氮样品与原始样品的腐蚀数据IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

Tab.3  The corrosion data of the nitriding and primitive samplesIAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

可以看出，550℃渗氮9h 后，自腐蚀电位降低，腐蚀电流密度变大，表明3Cr13较高温度(550℃) 渗氮降低了整体耐蚀性，这是由于形成了γ`—Fe4N相和ε—Fe2-3N相的同时，析出了Cr23C6及CrN，降低了基体的Cr含量，渗层空隙较多、致密性并不好，在这种情况下介质中的Cl-离子更会加剧腐蚀反应[6]，图6的2号曲线出现了许多台阶式的变化，与空隙的隧道效应致使腐蚀液渗透有关，这就直接导致了整体耐蚀性大幅降低。450℃渗氮9h 后，自腐蚀电位升高，腐蚀电流密度降低，表明3Cr13低温渗氮(450℃)能提高耐蚀性，这是由于形成了ε—Fe2-3N相，新相改性层耐蚀性优于原始不锈钢耐蚀性。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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3结论IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1）不锈钢表面离子渗氮，前期不需去钝处理，之后提高了表面硬度，不需热处理，即可直接使用。3Cr13不锈钢550℃渗氮9小时硬度从HV242提高到HV1280，450℃渗氮9小时硬度提高到HV1020.IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

2）3Cr13经550℃、450℃渗氮9小时表面硬化层的厚度分别达100μm、35μm。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

3）550℃渗氮9小时表面相组成为Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN ，450℃渗氮9小时表面相组成为Fe3N、Fe2N 、Fe2C。这些新相的出现是硬度提高的主要原因。温度高时铬氮都能比较容易地进行较长距离扩散，相互容易结合形成CrN析出。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

    4）3Cr13不锈钢经550℃×9h渗氮处理后，耐蚀性下降，这与基体的贫铬有关；经450℃×9h渗氮处理后，新相改性层使耐蚀性提高。IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

参考文献：IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

[1] 宋璋平,吴德光.3Cr13钢低温水淬工艺的研究[J].机械工人(热加工), 2001(9):55  IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

[2] 高原,徐重.不锈钢等离子表面渗碳[J]电子显微学报,2001(20):328-329 IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

[3] 曹永录,刘德义,等.奥氏体不锈钢固溶渗氮研究[J]大连铁道学院学报,2005,26(4)76-81IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

[4] 陈翠欣.不锈钢固溶渗氮[J]国外金属热处理,2001,22(2):16-21IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

[5] 刘坤吉,王锡林,等.不锈钢零件表面离子渗氮的研究与应用[J]金属热处理,2005,30(4):55-58 IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

[6] 马力,阎永贵,等.Cl-浓度对CrCoMo不锈钢耐蚀性能的影响[J]腐蚀科学与防护技术,2005,  17(3):172-175      IAC中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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