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3Cr13等离子表面渗氮

时间:2013-04-09 09:14:51  来源:  作者:程东,高原,唐光辉,陈战

3Cr13等离子表面渗氮41N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

程东,高原,唐光辉,陈战41N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,43006441N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:Fe3NFe2Fe2C550℃×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:Fe3NFe4NCr23C6CrN450℃×9h渗氮3.5%NaCl溶液中耐腐蚀性能提高550℃×9h渗氮,3.5%NaCl溶液中耐腐蚀性能则降低。41N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41N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。41N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。41N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。41N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

试验材料及工艺41N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241N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  3Cr13钢的化学成分(wt%)41N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%)41N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

元素41N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

C41N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

Si41N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

Mn41N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

P41N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

S41N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

Cr41N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

Ni41N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

Fe41N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

含量41N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

0.3341N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

0.4841N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

0.5241N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

0.02641N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

0.00541N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

12.641N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

0.1041N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

Bal.41N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  实验工艺参数41N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 technology41N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

工  艺41N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

试样电压41N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

试样电流41N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

工作气压41N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

气  氛41N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

550℃×9h41N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

850900V41N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

1.82.1A41N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

800~950Pa41N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

氨气41N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

450℃×9h41N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

780810V41N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

0.81A41N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

800~950Pa41N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

氨气41N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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试验结果分析41N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41N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,41N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。41N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。41N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

图1,2.jpg41N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1020HV41N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.jpg41N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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3 450℃×9h渗氮层的显微形貌(FeCl3+HCl溶液)×10041N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) ×10041N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41N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

     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Fe3NFe4NCr23C6CrN450℃×9h渗氮样确认含有Fe3NFe2Fe2C。这些相的出现是硬度提高的主要原因。由于550℃×9h渗氮层Cr23C6CrN出现,对硬度的提高幅度更大。41N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。41N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.jpg41N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41N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240400600号砂纸逐级打磨,蒸馏水冲净,吹干后备用。41N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341N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.jpg41N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

原始样及渗氮后在3.5%NaCl溶液中的极化曲线41N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%NaCl41N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  3Cr13渗氮样品与原始样品的腐蚀数据41N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 samples41N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

Samples41N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

Ecorr/(mV)41N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

icorr/(μA·cm-2)41N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原样41N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

-345.941N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

0.9441N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

550℃×9h渗氮样41N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

-488.541N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

1.6841N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

450℃×9h渗氮样41N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

-247.441N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

0.1641N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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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Cr23C6CrN,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62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。41N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41N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HV1280450℃渗氮9小时硬度提高到HV1020.41N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

23Cr13550℃、450℃渗氮9小时表面硬化层的厚度分别达100μm35μm41N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

3550℃渗氮9小时表面相组成为Fe3NFe4NCr23C6CrN 450℃渗氮9小时表面相组成为Fe3NFe2Fe2C。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。41N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

    43Cr13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。41N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:41N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  41N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 41N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,.奥氏体不锈钢固溶渗氮研究[J]大连铁道学院学报,2005,26(4)76-8141N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):16-2141N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,.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 41N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,.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      41N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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