回火对18Cr2Ni4W钢渗氮后的耐蚀性能的影响

刘亮，赵作福，赵荣达

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁锦州121001）

回火对18Cr2Ni4W钢渗氮后的耐蚀性能的影响

刘亮，赵作福，赵荣达

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁锦州121001）

利用金相、X射线衍射、极化曲线和阻抗谱等方法研究了回火对18Cr2Ni4W钢渗氮后的组织及耐蚀性能的影响规律。结果表明：经过渗氮处理合金表面形成明显的均匀白亮渗氮层。回火处理后的渗氮层厚度增加，组织更均匀，过渡区域增大。18Cr2Ni4W合金渗氮后耐蚀性有所提高，经过480℃回火的材料耐蚀性最好。

渗氮；时效；组织；耐蚀性能

本文引用格式：刘亮，赵作福，赵荣达.回火对18Cr2Ni4W钢渗氮后的耐蚀性能的影响［J］. 新型工业化，2016，6（5）：22-25.

0 引言

18Cr2Ni4W钢是中合金渗碳钢，具有高强度、高韧性和良好的淬透性，一般用做截面较大，载荷较高且韧性良好，缺口敏感性低的重要零件，被广泛应用于军工、冶金、采矿、石油和机械等行业的重要零部件上［1-4］。但因其表面硬度不足和耐腐蚀性差等问题严重地阻碍了18Cr2Ni4W钢在工业上的进一步应用和发展。由于18Cr2Ni4W钢表面改性处理后的渗层组织中含有大量残余奥氏体，致使硬度不足，通过渗后热处理提高硬度即是所要解决的主要问题［5-7］。 此外，1818Cr2Ni4W钢零件多用于腐蚀环境，因此需要提高材料的耐蚀性，以期达到提高零件使用时间和工作质量的要求［8-11］。为了改善18Cr2Ni4W钢耐蚀性能，在其表面进行渗氮及其回火处理，采用金相显微组织、极化曲线和阻抗谱等表征不同工艺下18Cr2Ni4W钢的耐蚀性能，为合金耐蚀性能的研究提供基础性数据。

1 实验材料与方法

实验材料为活塞杆用18Cr2Ni4W钢，制成15mm×15mm×10mm的试样，用砂纸将18Cr2Ni4W钢试样进行磨制，在渗氮处理前进行调质处理。采用一段式固体渗氮工艺，渗氮温度为540 ºC，渗氮时间为6 h，渗氮剂主要为尿素、碳粉、防脱碳粉料。氮化处理后将调质、未调质各取4件分别进行480 ℃、500 ℃、520 ℃、540 ℃高温回火，15 min。空冷至室温后，进行150 ºC回火3 h。利用蔡司金相显微镜观察不同工艺下的金相组织，利用X射线衍射仪分析结构，利用电化学工作站测试合金的耐蚀性。

2 分析与讨论

2.1回火温度对18Cr2Ni4W钢渗氮后渗氮层和过渡区的影响

图1是18Cr2Ni4W钢渗氮处理及渗氮后不同温度回火处理的金相组织。由图1（a）可以看出，18Cr2Ni4W钢经渗氮处理后，其渗氮层较薄，过渡区不明显，但是仍可以与基体相区分。基体的晶粒较为粗大，而过渡区的晶粒较为细小。随着渗氮后的回火温度升高，渗氮后的金相显微组织发生显著改变，随着回火温度升高，渗氮层的厚度逐渐增加。与未进行回火处理相比，当回火温度为480ºC时，过渡区的宽度增加，随着回火的进行，［N］原子进一步向基体内部扩散，从而［N］原子固溶以及氮化物析出强化效果增强，使氮化的区域增大。随着回火温度升高，过渡区的宽度逐渐增加，同时在过渡区逐渐析出大量黑色粒状物质，但黑色物质的相结构还不能确定。

图1　18Cr2Ni4W钢渗氮后不同温度回火的金相组织Fig.1 Metallurgical microstructure of nitriding 18Cr2Ni4W steel treated by different temperature tempering treatment

图2是18Cr2Ni4W钢经调质处理的合金渗氮后的XRD分析图谱。从结果中可以看出，该工艺下的18Cr2Ni4W钢XRD衍射谱中存在多个尖锐的衍射峰，结合PDF卡片对其进行标定，可以确定主要有6个相结构，即Fe相、Fe2N相；Fe3N相、Cr2N相、CW相、C3N4相，说明渗氮处理后合金中［N］原子与其他原子间发生了复杂的相变过程，这些相的形成与析出过程产生了析出强化作用，从而使渗层具有较高的硬度。

图2　18Cr2Ni4W钢渗氮后回火处理的相结构Fig.2 Phase structure of of nitriding 18Cr2Ni4W steel treated by tempering treatment

2.2不同热处理工艺对18Cr2Ni4W钢耐蚀性能的影响

图3为合金不同热处理工艺下的极化曲线。从图3测试结果可以看出，上面为阳极，下面为阴极，对应的为阴阳极的反应，两条曲线的交点为自腐蚀电位，自腐蚀电位越高，即数值较大，材料处于电解质中越不容易腐蚀，但并不能说明腐蚀速率的快慢，腐蚀电流密度越靠左，即数值较小，材料处于电解质腐蚀速率越慢，说明该材料的耐腐蚀性较好。图4为阻抗曲线，曲线对应的圆弧半径越大，腐蚀速率越慢，说明材料的耐腐蚀性越好。由图可知经500 ℃回火处理试样的自腐蚀电位数值较大，但腐蚀电流密度也较大，说明经此热处理工艺处理的材料刚开始不容易腐蚀，并不能说明耐腐蚀性能较好，而且从曲线中并没有看出钝化的过程，但是一旦开始被腐蚀后，腐蚀的速率较快，耐腐蚀性能较差；经480 ℃回火处理试样对应的曲线腐蚀电流密度数值较小，曲线靠左，数值明显比其他曲线小，说明经此热处理工艺处理的材料腐蚀速率相对很慢，耐腐蚀性能较好。对应图4阻抗图谱数据可以看出经480 ℃回火处理试样所对应的弧的半径最大，耐腐蚀性能最好；原始试样的自腐蚀电位数值很小，虽然与经480 ℃回火处理的数值相近，但是腐蚀电流密度数值较大，腐蚀速率较快，说明经此热处理的材料腐蚀速率不如经480 ℃回火处理试样；经520 ℃回火处理试样的腐蚀电流密度仅次于经480 ℃回火处理工艺试样的耐蚀性能，但是数值相差也比较大，说明经此热处理工艺处理的试样的腐蚀速率差于经480 ℃回火处理工艺试样的耐蚀性比较理想。无论从阻极化曲线还是阻抗都可以看出，原始试样的耐腐蚀能力最低，而经过渗氮后热处理后耐蚀性均有了明显的提高，其中经480 ℃回火处理工艺试样的的耐蚀性效果最为理想。

图3　18Cr2Ni4W钢渗氮后不同温度回火的极化曲线Fig.3 The polarization curve of nitriding 18Cr2Ni4W steel treated by different temperature tempering treatment

图4　18Cr2Ni4W钢渗氮后不同温度回火的阻抗谱Fig.4 Impedance curves of nitriding 18Cr2Ni4W steel treated by different temperature tempering treatment

3 结论

1）18Cr2Ni4W钢经过渗氮后的不同温度回火处理增强了渗氮的时效强化，［N］原子以及氮的化合物得到了进一步的扩散与析出，表面深层中合金化合物的析出强化作用更加明显。回火处理后的过渡区域面积增大，渗氮层的厚度增加，组织更均匀。其中，500 ℃回火的组织渗氮层的厚度最大，组织最均匀，黑色相呈弥散均匀分布，过渡区的界限明显可分辨，与基体之间有着黑色分界线。

2）18Cr2Ni4W钢原始态无论是在中性还是酸性环境的耐蚀性是较差的，经过渗氮之后耐蚀性有了一定程度的提高，相比之下18Cr2Ni4W钢经480 ℃回火处理工艺的材料的耐蚀性最好，在中性环境中腐蚀速率最慢，在酸性腐蚀环境中被腐蚀掉的重量也最小，不容易被腐蚀。

［1］ 赵作福，周影，齐锦刚. Cr12MoV钢表面化学热处理的研究进展［J］. 新型工业化，2015，11：1-6. ZHAO Zuo-fu，ZHOU Ying，QI Jin-gang. Status and Development on Surface Chemical Heat Treatment of Cr12MoV Steel ［J］. The Journal of New Industrialization，2015，11：1-6.

［2］ 蒲珊珊，向六昭. 汽车齿轮渗碳合金钢材料的热处理工艺探讨［J］. 热加工工艺，2014，43（10）：197-200. PU Shan-shan，XIANG Liu-zhao. Study on Material and Heat Treatment Technology of Automobile Carburized Gear ［J］. Hot Working Technology，2014，43（10）：197-200.

［3］ 董若侃. 合金渗碳钢18Cr2Ni4W 的热处理工艺［J］. 煤矿机械，2005，7：101-102. DONG Ruo-kan. The Process of Alloy Carburizing Steel 18Cr2Ni4W ［J］. Coal Mine Machinery，2005，7：101-102.

［4］ 黄海清. 18Cr2Ni4WA渗碳钢的热处理工艺研究［J］. 热处理，2007，22（4）：49-52. HUANG Hai-qing. Heat Treatment Process for Carbur izing Stee l 18Cr2N i4WA［J］. Heat Treatment，2007，22（4）：49-52.

［5］ 乐平，黄海清，郁凉峰. 18Cr2Ni4WA钢渗碳后淬火工艺对组织和性能的影响［J］. 热处理，2008，23（5）：28-34. LE Ping，HUANG Hai-qing，YU Liang-feng. Effect of Quenching Process on Microstructureand Property of Carburized 18Cr2Ni4WA Steel ［J］. Heat Treatment，2008，23（5）：28-34.

［6］ 黄元林，朱有利，李占明. 喷丸强化对18Cr2Ni4WA渗碳钢性能的影响［J］. 装甲兵工程学院学报，2009，23（5）：86-88. HUANG Yuan-lin，ZHU You-li，LI Zhan-ming. Effect of Shot Peening Treatment on the Performance of 18Cr2Ni4WA Steel ［J］. Journal of Academy of Armored Force Engineering，2009，23（5）：86-88.

［7］ 于燕，赵洪运，赵宇. 18Cr2Ni4WA 钢渗碳层边界润滑磨损特性［J］. 金属热处理，2000（1）：25-27. YU Yan，ZHAO Hong-yun，ZHAO Yu. Boundary Lubricated Wear Property About 18Cr2Ni4WA Steel ［J］. Heat Treatment of Metals，2000 （1）：25-27.

［8］ 刘喜明，连建设. 18Cr2Ni4WA钢渗碳层的磨损机理［J］. 金属热处理，1999（12）：10-12. LIU Xi-ming，LIAN Jian-she. Wear Mechanism of Carburized Case of Steel 18Cr2Ni4WA ［J］. Heat Treatment of Metals，1999（12）：10-12.

［9］ 安文柱，刘二强. 离子渗氮渗碳对20CrMnTi合金耐磨性能的研究［J］. 表面技术，2008，6（8）：33-35. AN Wen-zhu，LIU Er-qiang. Study on the Wear Resistance of 20CrMnTi Alloy by Plasma Nitriding and Carburizing ［J］. Surface Technology，2008，6（8）：33-35.

［10］ 李春桥，赵壮. 氮化处理的强化机制［J］. 材料科学与工程学报，1997，5（8）：32-41. LI Chun-qiao，ZHAO Zhuang. Strengthening Mechanism of Nitriding Treatment ［J］. Journal of Materials Science and Engineering，1997，5（8）：32-41.

［11］ Zhang B F，Shen W，Liu Y J，et al. Some factors influencing adiabatic shear banding in impact wear［ J］ .Wear，1998，214：259-263.

Effect of Tempering on Microstructure and Corrosion Properties of 18Cr2Ni4W Steel Nitriding

LIU Liang， ZHAO Zuo-fu， ZHAO Rong-da
（School of Materials Science and Engineering， Liao ning University of Technology， jinzhou liao ning 121001， China）

The effect of tempering on the microstructure and corrosion properties of 18Cr2Ni4W alloys nitriding were investigated by metallographic， XRD， polarization curves， and impedance curves. The results show that the obvious homogenous white nitriding layers are formed by nitriding treatment. After tempering treatment， the thickness of nitiding layers and gradual areas increase and microstructures become more homogenous. The corrosion resistance of 18Cr2Ni4W alloys was improved by nitriding treatment， and the best corrosion resistance was obtained by the 480ºC tempering treatment.

Nitriding； Aging； Microstructure； Corrosion resistance

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.05.004

LIU Liang， ZHAO Zuo-fu， ZHAO Rong-da. Effect of Tempering on Microstructure and Corrosion Properties of 18Cr2Ni4W Steel Nitriding［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（5）: 22-25.

辽宁省自然科学基金（2015020204）

刘亮（1984-），男，博士，讲师，主要从事金属热处理领域研究；赵作福（1978-），男，博士，实验师，辽宁工业大学材料科学与工程学院；赵荣达（1981-），男，博士，副教授，辽宁工业大学材料科学与工程学院