盐浴歧化反应渗铬0Cr18Ni9钢硬度及耐磨性研究

盐浴歧化反应渗铬0Cr18Ni9钢硬度及耐磨性研究 盐浴歧化反应渗铬0Cr18Ni9钢硬度及耐磨 性研究 中国机械工程第1】卷第l】期2000年11月 文章编号:1004—132X(2000)11—1302一o3 18—8型奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性, 抗高温氧化性和一定的高温强度,广泛应用于船 舶制造,汽轮机,燃气轮机,化工设备和核电设施 这类钢的冷,热加工性能优良,但强度低,耐磨性 差.并且不能通过热处理方式来提高其强度.提高 含碳量虽然能明显增加钢的强度,但通常使耐蚀 性能大幅度下降.面渗铬处理.不仅提高了18 — 8钢的抗应力腐蚀开裂能力].使点蚀击穿电 位正移],而且提高了钢的表面硬度和耐磨性0J, 从而改善了18--8钢的应用性能. 用盐浴歧化反应法对0Crl8Ni9钢实施渗铬 处理,研究了渗铬层的硬度,耐磨性及其影响因 素 1试验方法 实验用材料为0Crl8Ni9冷轧钢板.成分见 表1.将厚度2mm的钢板裁成14×22ram的试 样,经800号SiC水砂纸湿式磨光,浸入丙酮超声 清洗,然后热风吹干备用. 裹10Crl8Ni9钢的化学成分() CsiPMnSNiCr 0.o?1.oo?o.04?2.oo?o03?8.oo18.od 渗铬用盐浴以NaCI和BaCI为基盐,然后添 加100~tm粒度的电解纯铬粉,NaF和CrF,盐浴 组成见表2.渗铬温度分别为7001c,800C和 900.C,保温时间3h.渗铬结束后.试样炉冷,空冷 和水冷为了考查相对硬度的影响,对渗铬炉冷 后出现相的部分试样进行固溶处理(Bacl:盐浴 1050C×40min加热一水冷),以消除相. 啦辅日期tl999一lo一19 ?l302? 裹2盐潜的化学成分() 在光学显微镜下观察了不同试样的渗层形 貌,用XRD一600型x射线衍射仪分析了渗层的 相组成,用EPMA(JCXA一733型)测定了cr, Fe,Ni,c元素由表及里的分布.测定了渗层的显 微硬度,载荷0.245N,加载时间10s.用Suga型 往复式磨损实验机进行耐磨性实验,对磨材料为 O1号Sjc砂纸,荷重4.9N,磨损量用精度0.1mg 的天平称量.用电解着色法检定了渗层中的相. 2实验结果及讨论 2.1渗铬层组织 文献[43认为,在NaCI+BaCI基盐中加入 NaF和CrF.形成的盐浴中渗铬,主要是受盐浴 中的歧化反应控制.反应式为 Cr(粉末)+F一+cf一2CrF7(1) 2Cr一cf(工件表面)+F一+CrFF(2)? 通过上述反应在试样表面析出铬,然后向内 部扩散形成铬合金渗层.. 盐浴歧化渗铬温度对渗铬层厚度和渗层质量 有较大影响,700?,800C和900?温度下经3h 渗铬后水冷的渗层断面形貌见图1.渗层厚度和 渗层质量随温度升高而明显变化,700?×3h的 渗层约为7m厚,渗层疏松;900?×3h的渗层 厚达20#m,渗层致密,但水冷使渗层中有显傲裂 纹.由X射线衍射结果(见图2)可以看出,渗层主 要由相(Fe一&)和铬碳化物cc构成.随着 渗铬温度的升高,基体的7相(Cr--Fe--Ni)衍射 峰逐步减弱,而相衍射峰和cc的衍射峰逐 _,请 盐浴歧化匣应营铬CCr18N~9钒硬度及耐磨性研究——席慧智李莉王醚颖等 )700?×3h(b)800C×3h(c)900?×3h 围1渗铬层胄}面形貌(浸蚀液:甘油45ral+硝酸15ml+盐酸3Ora1) 步增强.这一现象说明,温度升高不仅提高了铬的 沉积速度.使渗层增厚,同时也增大了基体中的C 向高铬浓度渗层中扩散的动力,从而使渗层中的 CrC相增多. 茁 U 始 鼎 霉 {毫 .J 慧 毒 0 鼎 岳 一 (Fe—Cr1 ?clJ(Fe—Cr) 桁射有2a/(.-j (a)700?×3h涪铬 衍射角2(') rE)800?×3h渗铬 60 射线衍射分析,结果 表明有c3相存 在].c3相的形善 成,增大了c的扩散蔓 激活能,使渗层与扩喜 散层之间界面处的 C浓度升高.因此在 c浓度曲线上出现 了峰值.对同一试样 用电解着色法 (1OOml蒸馏水+40g NaOH水溶液,直流固3电子探针分析站果 1.5V,Pt阴极,15s)检查了渗层中的a相,结果见 图4.在光学显微镜下观察时,渗铬层为银灰色, 渗铬层上均匀分布着直径约为1m,4.urn的黄 褐色粒状口相. 衙射用20/【') (c)900~C×3h涪铬 圈2X射线衍射结果' 图3为9oo~C×3h渗铬炉冷后渗层中Cr,田4相分布形态 Fe,C和Ni元素由表及里的EPMA测定结果.D由Fe—Cr相图可知,在 600"C8oox2~围 浓度在表面处达90以上,之后沿层深衰减并出内,铬浓度40,60的Fe--Cr台金容易产生 现明显的平台和浓度突变?C浓度呈双峰分布,在相.渗铬后炉玲,无论是铬和铁的浓度比,还是温 20/~m深度时C浓度最大.由Cr,Fe,C的浓度分度范围,都具备了口相的形成条件,因而析出了细 布曲线可以预测,炉冷渗铬层中腺了n相(Fe一小弥散的口相;渗铬后水冷时,由于抑{6j了相析 Cr)和Cr:sC~相(见图2)之外,还应形成a相,渗出,渗层中无a相. 层与扩散层之同的界面处有Cr/C原子浓度比较2.2显搬硬度与耐磨性 小的铬碳化台物相.对9OOCX3h渗铬炉冷,经Cr是台金钢中最常见的台金元素之一. 900次往复式摩擦磨损试验后的试样,进行了x不仅能溶人铁素体中,通过周溶强化来提高锕的 ? 1303? 中国机械工程第1】卷第l1期2000年l1月 强度,还可溶人渗碳体中形成(Fe.Cr)sC舍金渗 碳体,增加了渗碳体的稳定性,更重要的是和c 形成稳定性更高的合金碳化物0cs和cr"c, 明显提高了钢的强度,硬度和耐磨性. 钢的硬度和耐磨性与碳化物类型,碳化物的 相对量和分布形态有密切关系.图5是渗铬层显 微硬度测试结果.900?×3h试样的渗层中形成 了较多的高硬度crc和Cc,因此显微硬度 明显高于800C和700C试样.渗铬时渗层中形成 的相对硬度也有一定贡献渗铬后水玲,抑制了 d相的形成,渗铬层表面硬度约为HVo一1820.而 渗铬后炉玲的试样,由于渗层中形成了相.表 面硬度约为HV1980;对同一试样在1050C× 40min条件下进行固溶处理时.相分解消失.硬 度降至HV251760. : = 糕 髫 枉 傅 厢5硬厦睡露层厚厦的受化 通常认为.钢中出现的.相是有害相.相硬 度高(大于HRC68),脆性性大.使钢的加工性能 严重劣化,这一现象称为脆性;在强氧化性介质 中.当电位处于过钝化区时,沿晶界分布的相也 但盐浴渗铬炉冷,渗 能引起不锈钢的晶间腐蚀一. 层中出现的.相呈细小颗粒状.弥散分布在富铬 的a相中,不仅对耐蚀性无影响,而且对硬度有 较大贡献. . 金属材料耐磨粒 磨损的抗力与H/E成 正比.H为材料硬度.E 为弹性模量.E对组织 不敏感,因此一般认为 材料的硬度越高,抗磨 粒磨损的能力越强.图 6为往复式磨损试验固6磨损试验结果 结果.由图看出,渗层厚,硬度高的900C×3h渗 铬试样,抗磨粒磨损性能明显优于其它试样.耐磨 性不仅与硬度有关,而且与硬质相的数量,颗粒大 小和分布形态密切相关.实践证明.一定数量硬雨 细小的硬质颗粒均匀分布在强而韧的基体中.可 获得良好的耐磨性.盐浴渗铬后炉冷或空冷的 0Crl8Ni9钢,渗层中的a相晶内与晶界处有(Cr, ?1304? Fe)23C6析出.渗层与扩散层的界面处有(Cr, Fe)7C3型碳化物,同时在相对较软的高铬相 中,弥散分布着直径1m,4Hm的高硬度.相,形 成了在相对较软的基体组织上分布着细小硬相质 点的组织特征,因此具有良好的耐磨性. 3结论 (1)0CrlSNi9钢在900C×3h条件下盐浴渗 铬时.表面可形成厚度约为20ym的渗铬层.渗层 主要由n相(Fe—Cr),Cr?C6和CrC:构成,富铬 的a相中分布着粒径1m,4m的d相. (2)渗铬层有较高的硬度和良好的耐磨性.硬 度主要取决于渗层中铬碳化物crc:和cr..C,o 相对硬度也有较大贡献.渗铬层中的铬碳化物及 弥散分布的.相,形成了有利于摩擦磨损的组织 结构,因此900?×3h渗铬后的试样有良好的耐 磨性. 参考文献: [1]原泰弘,香川羲治.池田宏平.cr搪散被覆才一天于 十I-系于蜩0臆力腐食剖扎拳蓟.防食 技街.1979,28(2):72,76 [2]谴尺贵久男.小山佳划,小平隆志等.夕口厶搪散被 覆工于'/铜0耐孔食性表面技街,1991.42 (L):131,132 [3]冲猛雄,席慧智.溶融盥不均化反摩老用, SUS304钢,\Fe—Cr合金皮膜形成.资豫素 材t1991.107(11):48 :4]OkiTProceedingsoftheJointlnternat[ona] SumposiumonMoltenSalts.Electroche1[1Soc.U. S.A1987:765,774 L5]席慧智熔盐歧化反应渗铬及渗层性能的研究.金 属热处理.I993.14(3):54 [6]GtinterP.Meta1l0graphisches?tzenGebrOderBorn traeger.Berlin--Stuttgart,Germany,1976:92 [7]黄永昌.金属腐蚀与防护原理.上海上海交通大学 出版社,I989:95 [8]席慧智.冲猛雄.溶融盥电用?夕口厶浸透L七 SUS3O4铜音金皮膜及炭化物拳蓟c=及c耋寸 熟唐理.1991.31(3):171 冷却方巷影謇. (编辑马尧发) 作者简席l智?男?1951年生.哈尔滨工程大学(暗尔滨市 1j0001)材料科学与工程系副教授.研究方向为表面扩嚣金属及 非品卷合盘电链.获部级科技进步三等奖2项.出版教科书2部. 发袁论文近2O杂篇.事村,女.1972年生.哈尔滨工程大学材料 科学与:,程系讲师,博士.王?一t男,1956年生.喑尔滨工程大 学工程中心实验师.,E曲?男.1977年生.培尔滨工程大学材科科 学与工程系硬士研究生. 口