气体比例对1Cr13马氏体不锈钢离子渗氮层性能的影响

童幸生，叶　威，王　晨（江汉大学　机电与建筑工程学院，湖北　武汉　430056）

气体比例对1Cr13马氏体不锈钢离子渗氮层性能的影响

童幸生，叶威，王晨
（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056）

摘要：对1Cr13马氏体不锈钢在不同气体氛围下进行低温离子渗氮处理，研究了不同渗氮气体比例对渗层组织和性能的影响。结果表明：在氨气与氩气气体比例为8∶1时，1Cr13不锈钢低温离子渗氮后得到的渗层的组织与性能最好，此时表面硬度为1 100 HV1，为基体硬度的4倍，且具有良好的梯度硬度，渗层厚度为85.7 μm。当氨气与氩气的气体比例从4∶1提高到8∶1时，渗氮层硬度与厚度均提高，而气体比例为12∶1与16∶1时，渗层厚度基本不变，但是不锈钢表面形成的黑色物质使渗氮层表面硬度与渗层硬度出现不均匀性，当气体比例为16∶1时，中心硬度降低到625.0 HV1，与边缘硬度相差了450 HV1左右。

关键词：1Cr13；不锈钢；低温；离子渗氮；组织性能

马氏体不锈钢是Cr含量在12％～18％范围内、含碳量在0.1％～1.0％范围内的低碳或高碳钢。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。马氏体不锈钢由于其较好的力学性能和耐腐蚀性能广泛应用于制造汽轮机叶片等零件，但是由于其较差的硬度与耐磨性能限制了零件的使用寿命。离子渗氮作为一种表面改性技术，能够有效提升零件表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。对于奥氏体不锈钢低温离子渗氮，国内外的研究已经取得一定的成果［1-3］，但是对于马氏体不锈钢离子渗氮的研究尚不成熟，离子渗氮中有渗氮气氛、温度和保温时间等工艺参数，目前关于温度与保温时间对马氏体不锈钢离子渗氮的影响已经有大量的研究［4-6］，但是关于渗氮气氛对于渗层组织以及性能影响的研究却尚不多见，为此，作者研究了渗氮气体比例对1Cr13马氏体不锈钢离子渗氮的影响。

1　材料与方法

实验中采用的试样是1Cr13马氏体不锈钢，为ϕ 9 mm×15 mm的圆柱体，试样经过砂纸研磨成光滑表面后进行酒精超声波清洗15 min，用热吹风机吹干后放入渗氮炉进行渗氮处理。试验在LDMC-20A双辉光离子渗氮炉中进行，氨气与氩气的气体比例分别控制在4∶1、8∶1、12∶1和16∶1，渗氮温度为420℃，保温时间为6 h。

用HVS-10显微维氏硬度计测量试样的硬度，加载力为9.8 N，加载时间为20 s。渗层表面硬度测量点选取在圆柱试样圆形表面任意一条直径上均匀分布的5个点，渗氮层硬度则测量至距离表面180 μm处。金相显微镜观察渗层形貌，测量渗层厚度，实验时试样在360目与600目的水磨砂纸上粗磨，接着在1～6号金相砂纸上细磨，抛光后，用三氯化铁、盐酸混合溶液腐蚀后的试样放到金相显微镜下观察。采用CS350电化学工作站，电解池采用3电极体系，在腐蚀溶液为300 mL的3.5％的NaCl溶液中进行动电位扫描，扫描范围从-400 mV到+400 mV，扫描速率为0.5 mV/s。采用日立新型高分辨场发射扫描电镜SU8000进行离子渗氮后渗层能谱分析。

2　结果与讨论

2.1对表面硬度的影响

图1是1Cr13马氏体不锈钢在不同气体比例渗氮后的表面硬度。由图1可知，当气体比例为4∶1或8∶1时，渗层表面硬度分布均匀，而气体比例从4∶1变为8∶1后，渗层硬度增加，在这一阶段增加渗氮气体比例有利于提高表面渗层硬度，但是随着渗氮气体比例的继续提高，发现不锈钢表面硬度出现不均匀性，即中心硬度低，边缘硬度高的现象，而且这种现象随着气体比例的增加变得越来越明显，气体比例为8∶1时，圆柱中心硬度为1 251.4 HV1，与边缘硬度1 131.7 HV1和1 273.2 HV1基本相同，但是当气体比例为12∶1时，中心硬度为689.3 HV1，而到了16∶1时，硬度甚至到了625.0 HV1，与边缘硬度相差450 HV1左右。

图1　1Cr13不锈钢在不同气体比例渗氮后的表面硬度Fig.1 Surface hardness of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

2.2对渗氮层硬度的影响

图2是1Cr13马氏体不锈钢在不同气体比例渗氮后的渗层硬度，由图2可知，当气体比例为4∶1或8∶1时，渗层硬度变化趋势基本一致，在20～70 μm处，渗层硬度基本保持不变，随后硬度大幅度下降，在90 μm处降低为250 HV1，与基体组织的硬度一致。当气体比例提高至12∶1时，在距离表面20 μm处，硬度较低，随着渗层距离增加，硬度不断上升，到50 μm处，硬度到达最大值，在70 μm处渗层硬度开始下降，与气体比例为4∶1或8∶1时的渗层变化趋势一致，当气体比例为16∶1时，渗层硬度在20～50 μm处更小，也呈现出先上升后下降的变化趋势。

图2　1Cr13不锈钢在不同气体比例渗氮后的渗层硬度Fig.2 Hardness of nitrided layer of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

2.3对渗层组织的影响

图3是1Cr13马氏体不锈钢在氨气与氩气气体比例分别为4∶1、8∶1、12∶1与16∶1时渗氮后的渗层组织，由图3可知，随着渗氮气体比例增加，渗氮炉内氮浓度增加，渗氮层厚度增加，气体比例从4∶1增加8∶1时，渗氮层厚度增加20.9 μm，而到了12∶1与16∶1时，渗氮层厚度基本不变，增长趋势趋于平稳。

图3　1Cr13不锈钢在不同气体比例渗氮后的深层组织Fig.3 Microstructure of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

2.4渗层能谱分析

图4与表1是1Cr13不锈钢在8∶1、12∶1和16∶1不同气体比例渗氮后的能谱分析图以及数据结果，可见随着渗氮气体比例的增加，N含量增加，同时气体比例在12∶1和16∶1的离子渗氮后渗氮层Cr与Ni的含量均有极大的提高。

图4　1Cr13不锈钢在不同气体比例渗氮后的能谱分析图Fig.4 EDS analysis of plasma nitrided 1Cr13 martensitic stainless steel at different atmosphere proportions

表1　能谱分析结果Tab.1 Results of EDS analysis

3　讨论

研究发现，氨气与氩气的气体比例从4∶1增加到8∶1时，渗氮后的硬度、渗层厚度、耐腐蚀性能均有所提高，这是因为随着氨气比例的增加，炉内氨气含量增加，被电离的氮离子含量增加，这样1Cr13试样表面氮原子吸附率增加，有助于形成稳定的分子基团，必然加速氮、铁化合物的生成，同时也有助于基体表面吸附的分子通过扩散层向基体内部扩散［7］，而能谱分析结果也表明随着渗氮气体比例的增加，渗层中氮元素含量增加。

但当继续增加气体比例时，渗层中氮元素含量继续增加，此时渗氮层硬度出现不均匀性。这是因为渗层表面中心部位出现了黑色物质，这种黑色层呈现圆形。随着渗氮气体比例的增加，黑色层直径变大，颜色变得更黑。正是由于渗氮黑色层的出现，渗层硬度表现不均匀性。吕学飞等［8］研究发现表面黑色层是渗氮过程中产生的，由CrN、氮化铁以及铬与铁的氧化物组成。产生这种现象的原因是由于随着渗氮气体比例的提高，通入的氨气流量增加，离子渗氮炉的真空阀抽取气体效率一定，使得炉内压强升高，气体比例为4∶1、8∶1、12∶1与16∶1时的压强分别为：92、100、115、130 Pa，压强升高后使得辉光不均匀，在边缘处辉光叠加，而中心部位辉光薄弱。在渗氮初期，离子溅射将不锈钢表面的钝化膜轰击掉，在随后的渗氮过程中，又沉积到试样表面形成铁的氧化物，同时不均匀的辉光也使得Cr析出，形成CrN。通过能谱分析可知，随着气体比例增加，渗层中Cr含量不断增加，这一实验结果也证明了Cr的析出与CrN的形成。

4　结论

1）低温离子渗氮能够有效提高1Cr13马氏体不锈钢的硬度，且适宜的渗氮气体比例为8∶1，此时渗层硬度为1 100 HV1，为基体硬度的4倍以上，渗层厚度为85.7μm。

2）渗氮气体比例显著影响渗氮层性能，当气体比例从4∶1提高到8∶1时，渗氮层N含量增加，渗氮过程中生成更多的氮化物，提高了渗氮层硬度与厚度，但是当气体比例继续提高时，不锈钢表面生成的黑色物质使表面硬度以及渗层硬度出现不均匀性。

参考文献（References）

［1］MENTHE E，BULAK A，OLFE J，et al.Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding［J］.Surface and Coatings Technology，2000，133/134：259-263.

［2］张丹丹.AISI316L不锈钢阳极离子渗氮技术与性能研究［D］.大连：大连海事大学，2011.

［3］LEI M K，OU Y X，WANG K S，et al.Wear and corrosion properties of plasma-based low-energy nitrogen ion implanted titanium ［J］.Surface and Coatings Technology，2011，205（19）：4602-4607.

［4］YANG J Q，LIU Y，YE Z Y，et al.Microstructural and tribological characterization of plasma- and gas-nitrided 2Crl3 steel in vacuum［J］.Materials and Design，2011，32：808-814.

［5］戴大煌，刘敏，余志明，等薄膜与涂层：现代表面技术［M］.长沙：中南大学出版社，2008.

［6］韩立影，王亚男，苗露，等.离子渗氮温度对不锈钢组织及性能的影响［J］.金属热处理，2008（9）：41-45.

［7］WU K，LIU G Q，WANG L，et al.Research on new rapid and deep plasma nitriding techniques of AISI420 martensitic stainless steel［J］.Vacuum，2010，84：870-875.

［8］吕学飞，杨瑞成，林义民，等.1Crl8Ni9Ti钢等离子渗氮中的黑层及边缘效应［J］.金属热处理，2005，30（7）：68-70.

（责任编辑：陈旷）

Effect of Atmosphere Proportion on Performance of Plasma Nitrided Layer of 1Cr13 Martensitic Stainless Steel

TONG Xingsheng，YE Wei，WANG Chen
（School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Abstract：Samples of a 1Cr13 martensitic stainless steel were plasma nitrided at different atmosphere proportions.Effects of different atmosphere proportions on performance of plasma nitrided layer of martensitic stainless steel were studied.The results showed that 1Cr13 stainless steel obtained the best microstructure and properties of nitrided layer after low temperature plasma nitriding when the atmosphere proportion of ammonia and argon was 8∶1.The surface hardness was 1 100HV1which was four times of the untreated samples and had a good gradient.Besides，its thickness was 85.7μm.When the atmosphere proportion changed from 4∶1 to 8∶1，the hardness and thickness of nitrided layer were improved.The thickness almost remained the same when the proportions were 12∶1 and 16∶1，but the black substance formed on the surface of stainless steel made the hardness of surface and nitrided layer perform inhomogeneity.When the proportion was 16∶1，the central hardness declined to 625.0HV1，that was 450HV1lower than the hardness of the edge.

Keywords：1Cr13；stainless steel；low temperature；plasma nitriding；microstructure and property

作者简介：童幸生（1956—），男，教授，硕士，研究方向：金属材料热处理及工艺。

收稿日期：2015 - 03 - 19

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.005

中图分类号：TG142.7

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）03-0221-05