3Cr13等離子表面滲氮fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

程東，高原，唐光輝，陳戰fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

（桂林電子科技大學，桂林，541004  武漢首發材料科技有限公司，武漢，430064）fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

摘要：對3Cr13不銹鋼進行等離子滲氮處理，并對滲氮后的試樣進行金相組織觀察、硬度檢測、x射線衍射物相分析以及電化學腐蝕性能測試。結果表明：450℃×9h滲氮后，滲氮層厚度達35μm，表面硬度達HV1020，滲氮層物相主要為：Fe3N、Fe2N 、Fe2C；550℃×9h滲氮后滲氮層厚度達100μm，表面硬度達HV1280，滲氮層物相主要為：Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN；450℃×9h滲氮在3.5%的NaCl溶液中耐腐蝕性能提高，550℃×9h滲氮，在3.5%的NaCl溶液中耐腐蝕性能則降低。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

關鍵詞：3Cr13不銹鋼；等離子；滲氮；耐腐蝕性fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

3Cr13鋼為我國應用較多的不銹鋼之一。通過合適的熱處理工藝可充分發揮該鋼的內在潛力，改善性能，大幅度提高其使用壽命和耐蝕性[1]。近年來，該鋼的熱處理工藝取得明顯進展，但目前應用較為先進的等離子表面技術進行表面改性研究較少，國內外也鮮有報道。因此，開展這方面的研究工作有重要的實用價值和理論意義。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

不銹鋼因其表面有一致密的Cr2O3鈍化膜，用其他方法較難進行表面處理。采用等離子技術對其進行表面處理具有明顯優勢。離子轟擊可以很容易將這層膜破壞，省去了打磨、拋光、清洗、化學去鈍等繁重工作[2]-[3]，離子處理技術又有速度快，效果好，干凈清潔等許多優點，故發展潛力巨大。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

本研究利用等離子對3Cr13鋼進行氮化處理。對其工藝、組織、結構性能以及耐腐蝕性進行研究。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

1 試驗材料及工藝fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

試驗用3Cr13不銹鋼化學成分如表1, 原始硬度為HV242。工藝參數如表2。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

表1  3Cr13鋼的化學成分(wt%)fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

Tab.1  chemical composition of 3Cr13 stainless steel(wt%)fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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表2  實驗工藝參數fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

Tab.2  parameters of experimental technologyfqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

2 試驗結果分析fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

2.1  光學顯微鏡觀察及掃描電鏡觀測fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

 3Cr13不銹鋼經等離子滲氮550℃×9h處理后，從光學顯微鏡觀察由表及里依次為白亮層→擴散層→過渡層→基體，見圖1。由圖1可見，白亮層位于試樣的最外層，fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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抗腐蝕性好，經侵蝕劑FeCl3+HCl溶液侵蝕呈白亮色，白亮層向內是擴散層，平均厚度約為100μm，硬度為1280HV。經侵蝕劑FeCl3+HCl溶液侵蝕后也呈白亮狀。再向內是由氮和鉻在a-Fe中的固溶體+析出的細小鉻的碳化物組成的過渡層，耐腐蝕性能較差，經腐蝕劑腐蝕后變黑。之后是基體組織，是由基體+碳化物組成。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

滲層的SEM照片如圖2，可以看出滲層表面有一不連續的白亮層。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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3Cr13不銹鋼經等離子滲氮450℃×9h處理后的金相照片如圖3。擴散層的平均厚度約為35μm，硬度為1020HV。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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圖3 450℃×9h滲氮層的顯微形貌（FeCl3+HCl溶液）×100fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

Fig.3 Microstructure of the nitriding layer(450℃×9h) ×100fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

2.2滲氮層的相結構分析fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

     用X射線衍射儀對滲氮層的相結構進行了衍射分析。圖4和圖5為經滲氮550℃×9h、450℃×9h處理后表層的X射線圖譜。X射線衍射分析結果表明, 550℃×9h確認含有Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN，450℃×9h滲氮樣確認含有Fe3N、Fe2N 、Fe2C。這些相的出現是硬度提高的主要原因。由于550℃×9h滲氮層有Cr23C6及CrN出現，對硬度的提高幅度更大。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

低溫滲氮形成過飽和固溶體，可能是溫度低，氮的擴散慢，合金元素鉻擴散更加困難，同時因鉻與氮元素之間具有很強的親和力，也限制了氮的擴散，故易形成含氮量很高的過飽和固溶體薄層。當溫度升高時鉻氮都能比較容易地進行較長距離擴散，相互結合形成CrN析出，使基體貧鉻。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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2.3 滲氮后的電化學性能fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

 電化學性能測試前，將原始樣和滲氮樣底面焊接上銅導線引出，使用環氧樹脂封裝，露出實驗工作面。工作面依次經240，400及600號砂紙逐級打磨，蒸餾水沖凈，吹干后備用。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

電化學測試采用三電極體系。參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極是鉑片。采用北京中腐防蝕工程技術有限公司生產的PS-268A型電化學測量儀，對其氮化前后試樣進行極化曲線測量，如圖6。掃描速度1mv/s。腐蝕數據由PS-268A繪圖軟件擬合求得列于表3。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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圖6 原始樣及滲氮后在3.5%NaCl溶液中的極化曲線fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

Fig.6 Polarization curves of the nitriding and primitive samples in 3.5%NaClfqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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表3  3Cr13滲氮樣品與原始樣品的腐蝕數據fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

Tab.3  The corrosion data of the nitriding and primitive samplesfqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

可以看出，550℃滲氮9h 后，自腐蝕電位降低，腐蝕電流密度變大，表明3Cr13較高溫度(550℃) 滲氮降低了整體耐蝕性，這是由于形成了γ`—Fe4N相和ε—Fe2-3N相的同時，析出了Cr23C6及CrN，降低了基體的Cr含量，滲層空隙較多、致密性并不好，在這種情況下介質中的Cl-離子更會加劇腐蝕反應[6]，圖6的2號曲線出現了許多臺階式的變化，與空隙的隧道效應致使腐蝕液滲透有關，這就直接導致了整體耐蝕性大幅降低。450℃滲氮9h 后，自腐蝕電位升高，腐蝕電流密度降低，表明3Cr13低溫滲氮(450℃)能提高耐蝕性，這是由于形成了ε—Fe2-3N相，新相改性層耐蝕性優于原始不銹鋼耐蝕性。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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3結論fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

1）不銹鋼表面離子滲氮，前期不需去鈍處理，之后提高了表面硬度，不需熱處理，即可直接使用。3Cr13不銹鋼550℃滲氮9小時硬度從HV242提高到HV1280，450℃滲氮9小時硬度提高到HV1020.fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

2）3Cr13經550℃、450℃滲氮9小時表面硬化層的厚度分別達100μm、35μm。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

3）550℃滲氮9小時表面相組成為Fe3N、Fe4N、Cr23C6及CrN ，450℃滲氮9小時表面相組成為Fe3N、Fe2N 、Fe2C。這些新相的出現是硬度提高的主要原因。溫度高時鉻氮都能比較容易地進行較長距離擴散，相互容易結合形成CrN析出。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

    4）3Cr13不銹鋼經550℃×9h滲氮處理后，耐蝕性下降，這與基體的貧鉻有關；經450℃×9h滲氮處理后，新相改性層使耐蝕性提高。fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

參考文獻：fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

[1] 宋璋平,吳德光.3Cr13鋼低溫水淬工藝的研究[J].機械工人(熱加工), 2001(9):55  fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

[2] 高原,徐重.不銹鋼等離子表面滲碳[J]電子顯微學報,2001(20):328-329 fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

[3] 曹永錄,劉德義,等.奧氏體不銹鋼固溶滲氮研究[J]大連鐵道學院學報,2005,26(4)76-81fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

[4] 陳翠欣.不銹鋼固溶滲氮[J]國外金屬熱處理,2001,22(2):16-21fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

[5] 劉坤吉,王錫林,等.不銹鋼零件表面離子滲氮的研究與應用[J]金屬熱處理,2005,30(4):55-58 fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

[6] 馬力,閻永貴,等.Cl-濃度對CrCoMo不銹鋼耐蝕性能的影響[J]腐蝕科學與防護技術,2005,  17(3):172-175      fqQ熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE

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