氮氢比对UNIMAX钢离子渗氮组织及性能的影响

曹文峰，贺瑞军，王晓颖，郭凯宇，周舸，田野

钢铁成形

氮氢比对UNIMAX钢离子渗氮组织及性能的影响

曹文峰1，贺瑞军1，王晓颖1，郭凯宇1，周舸2，田野1

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870）

针对目前我国航空航天、汽车等领域高端制件精密锻造用模具钢离子渗氮表面改进过程的技术瓶颈，通过开展不同氮氢比条件下的工艺试验，揭示离子渗氮过程中不同的氮氢比对UNIMAX钢离子渗氮组织及性能的影响规律。在真空离子氮化炉中，对UNIMAX钢进行温度为500 ℃、压力为250 Pa、不同氮氢比气氛条件下的离子渗氮试验。并采用显微硬度计、显微维氏硬度计、金相显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、X射线应力分析仪对上述不同离子渗氮处理后的渗氮层表面硬度、渗层深度、渗层组织、渗层物相组成、表面残余应力、表面脆性进行表征与分析。随着渗氮气氛中N2浓度的降低，渗层深度逐渐减小，扩散层中氮化物组织均匀性逐渐增大，渗层组织中脆性相ε−Fe2,3N相对含量下降，韧性相γ’−Fe4N相对含量提高。表面硬度明显提高，当(N2)∶(H2)=1∶1时，最大值可达1 153HV0.2。当(N2)∶(H2)=1∶3时，渗层表面硬度与韧性展现出较好的匹配度，在该工艺下可以获得最佳的渗层组织。

UNIMAX钢；离子渗氮；表面硬度；渗层深度；渗层组织性能

UNIMAX钢为瑞典优质Cr−Mo−V合金模具钢，此钢综合性能优异，不仅可用作长寿命的热作模具，也可用于工况非常苛刻的冷作模具，广泛应用于汽车、航空航天等领域高端制件精密锻造模具制造。与H11和H13钢相比，UNIMAX钢有更好的耐磨性，利用UNIMAX钢制作的模具使用寿命可以提升250%。在工业应用中，为了延长模具寿命、保障合格率、降低成本，其精锻模具普遍采用表面离子渗氮硬化技术[1]。通过离子渗氮，可以有效提高模具的表面硬度，从而提高材料表面耐磨性。同时，与传统的气体渗氮相比，该技术具有渗速快、成本低等优势[2]。

在离子渗氮过程中，模具钢表面会形成渗氮层，包含最外层的化合物层及内层的扩散层[3]。化合物层硬度高，对材料早期磨损过程中耐磨性能的提高有一定的积极影响，但同时其脆性大，易在后续磨损中脱离剥落，而破碎脱落部分会作为新的磨粒加速表面磨损[4-8]。所以，在离子渗氮过程中，需要通过改变渗氮参数保证渗层深度的同时抑制化合物层的生成。其中，气氛中N2与H2的相对含量是一个重要的影响因素。部分文献[9-10]报道，渗氮气氛中的H2轰击能够增加表面缺陷数量，同时还原清除表面的氧化物，通过控制氮势降低N2的解离能，促进N2的解离，提高渗氮速率；同时还可以抑制化合物层形成，但有的文献[11-12]也认为加入H2后导致氮势降低，使得渗层深度下降。有的文献[1]虽然对UNIMAX钢离子渗氮工艺进行了研究，但是关于不同渗氮气氛（氮氢比）条件下UNIMAX钢表面渗层组织演变规律及性能方面的研究相对较少。因此，亟需开展不同氮氢比条件下UNIMAX钢的离子氮化表面改性工艺–组织–性能一体化设计方面的基础研究。

文中采用RÜBIG真空离子渗氮炉，通过控制渗氮气氛中N2与H2的比例，首次研究了在离子渗氮过程中不同渗氮气氛（氮氢比）对UNIMAX钢表面化合物层、扩散层中的相组成及渗层深度的影响，并结合渗氮层表面硬度、脆性及残余应力的分析，获得了UNIMAX钢离子氮化过程中温度、压力、氮氢比对渗层组织性能的影响规律，并揭示了UNIMAX钢离子渗氮机理，从而对指导该项技术的工程化应用提供理论支撑。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及仪器

材料：UNIMAX钢，瑞典ASSAB，成分如表1所示。仪器：RÜBIG真空离子渗氮炉，奥地利RÜBIG公司；PL−A662金相显微镜，德国Leica公司；D8 X射线衍射仪（XRD），美国Bruker公司；FM−700显微硬度计，日本FUTURE−TECH公司；FV−700显微维氏硬度计，日本FUTURE−TECH公司；250xi型号X射线光电子能谱，美国Thermo Fisher公司；Proto−LXRD X射线应力分析仪，美国Proto公司。

表1 UNIMAX钢化学成分

Tab.1 Chemical composition of UNIMAX steel

1.2 试验方法

将所选试验材料制成20 mm×5 mm大小的圆饼状试样，经过1 025 ℃真空气淬后，在525 ℃条件下回火2次，每次回火2 h。在渗氮前对试样进行打磨、抛光及超声清洗等处理。试验设备为RÜBIG真空离子渗氮炉，渗氮温度500 ℃，渗氮时间10 h，渗氮压力250 Pa，渗氮气氛中N2与H2的体积比分别为5∶1、3∶1、1∶1、1∶3、1∶5，对应编号为1#、2#、3#、4#、5#。

渗氮样品截面经过镶嵌后依次使用240#、400#、600#、800#、1 000#、1 500#、2 000#水砂纸打磨，并使用3.5 μm金刚石研磨剂进行抛光，抛光后使用硝酸酒精溶液（4%）腐蚀。使用Leica PL−A662型号金相显微镜观察样品金相组织；使用Bruker X射线衍射仪（XRD）表征样品物相组成，扫描角度为10º～80º，扫描速度为2 (º)/min；采用FUTURE−TECH FM−700型号显微硬度计测量表面脆性，试验力为98.07 N（10 kgf），加载缓慢（在5～9 s内完成），加载后停留5～10 s，然后卸载，根据《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》（GB/T 11354—2005）对渗层脆性等级进行评级。同时，测量表面显微硬度及截面硬度梯度分布，依照GB/T 11354—2005中的硬度法进行测定，采用维氏硬度，使用1.96 N (200 gf）,在距离表面3倍渗层深度处选取3点测得的硬度值平均作为基体硬度值，从试样表面测至比维氏硬度值高50HV0.2处的垂直距离为渗氮层深度；使用Thermo Fisher 250xi型号X射线光电子能谱表征样品表面元素价态；利用Proto−LXRD型X射线应力分析仪进行残余应力检测，其中，管电压30 kV，管电流20 mA，采用Cr靶Kα辐射，V滤波片，Fe(211)衍射晶面，左右双512通道位敏探测器，对应2范围为20º，使用Pearson−VII定峰方法，材料X射线弹性常数2/2=5.92×10–6MPa–1及1=–1.28×10–6MPa–1，检测执行ASTM−E915—2010、EN15305—2008及GB 7704—2017。

1.3 渗层物相组成相对含量计算

采用绝热法[13]计算ε−Fe2,3N及γ’−Fe4N相含量，见式（1）—（2）。

式中：为待测物相最强峰衍射强度；为待测物相参比强度值。

2 结果与分析

2.1 渗氮气氛对渗层深度的影响

采用硬度法得到1#—5#试样渗层深度分别为187、182、169、150、131 μm，图1为测得的试样截面硬度梯度，图2为渗层深度。由此可以看出，随着渗氮气氛中N2含量的下降，渗层深度也在下降。使用IBM SPSS Statistics对所得数据进行多项式拟合，得到渗层深度与N2浓度有如式（3）的关系。

式中：为渗层深度；为渗氮气氛中N2的物质的量分数；2为判定系数（2越接近于1，可信度越高）。

以往研究表明，N从金属表面通过反应扩散的方式从表面向内部渗透。N浓度越高，扩散驱动力越大，渗层深度也越大[12]。从上述多项式拟合结果（式（3））可以看出，渗层深度与N2浓度并非线性关系，而是抛物线型关系。这是因为当N2含量增加时，会在表面形成一层致密的白亮层（即化合物层），白亮层对N原子从表面向内部的渗透起着阻碍作用。而随着N2浓度的增加，白亮层的厚度也会变大，同时对N原子扩散的阻碍作用增强。而白亮层的厚度也不随着N2浓度的增加而线性增大；当N2浓度足够大时，白亮层厚度几乎不再变化。因此，在离子渗氮过程中，形成的表面化合物层对N原子的扩散起着阻碍作用。

图1 UNIMAX钢试样截面硬度梯度分布

图2 UNIMAX钢在不同N2浓度下经离子渗氮处理后的渗层深度

2.2 渗氮气氛对渗层物相组成的影响

利用Jade对所得到的不同渗氮气氛下XRD图谱（图3）进行定性分析，可以看出，1#—4#样品渗氮层表面均有ε−Fe2,3N及γ’−Fe4N相，而在5#样品的渗氮层表面只出现了α相。从PDF标准卡片86−0232及86−0231上查得ε=6.84，γ’=7.09。使用式（1）—（2）计算ε−Fe2,3N及γ’−Fe4N相含量，结果如表2所示。

图3 不同渗氮气氛下渗氮层表面的XRD图谱

表2 不同渗氮气氛下样品深层表面各相相对含量

Tab.2 Relative contents of each phase on deep surface of samples under different nitriding atmosphere

上述试验结果表明，随着渗氮气氛中N2浓度的降低，渗氮层表面γ’−Fe4N相对含量升高，ε−Fe2,3N相对含量降低；而当(N2)∶(H2)=1∶5时，渗层表面ε−Fe2,3N和γ’−Fe4N未被检出，只出现了α相。这是因为ε−Fe2,3N为密排六方结构，N原子有序地占据Fe原子构成的密排六方间隙位置，N的质量分数在7.8%～11.0%之间；γ’−Fe4N为面心立方结构，N原子有序地占据Fe原子构成的面心立方间隙位置，N的质量分数在5.7%～6.1%之间；而扩散层为α固溶体，为体心立方点阵，N的质量分数低于5.7%[14]。因而当表面N浓度高时，倾向于形成ε−Fe2,3N中间相；随着N浓度的降低，倾向于形成γ’−Fe4N相；当N浓度进一步降低，只会形成α固溶体，与文献[15]报道结果相符。

在5#试样表面未测得ε−Fe2,3N和γ’−Fe4N相，需要使用X光电子能谱仪对5#试样表面的物相结构进行进一步分析。窄谱分析结果如图4所示，利用XPSPEAK及Thermo Avantage软件，选用Shirley背景，使用Gaussian−Lorentzian函数进行分峰拟合[16]。图4a中，706.70 eV和719.9 eV的峰对应Fe(2/3/4)N[17]，710.20 eV和723.40 eV的峰对应Fe3O4[18]；图4b中，397.28 eV的峰对应Fe(2/3/4)N[17]，399.60 eV的峰对应Cr(CO)5NH3[19]；图4c中，284.80 eV的峰对应C单质[20]，288.24 eV的峰对应Cr(CO)5NH3[19]。说明在5#试样进行离子渗氮的过程中，最外层依然形成了微量的FexN化合物。

图4 5#试样表面各元素的XPS窄谱

图5为金相组织照片，从图中可以得知，1#、2#、3#试样的化合物层深度分别为7、6、4 μm，而4#、5#试样未出现明显的化合物层。同时，在1#和2#扩散层形成了脉状组织，1#中扩散层甚至出现了网状组织。上述结果表明，随着离子渗氮气氛中N2浓度的提高，氮化物沿晶界析出并且变得粗大[21]；当(N2)∶(H2)=5∶1时，扩散层组织进一步恶化，氮化物进一步析出、长大并相互连结，形成网状组织。而4#和5#在较低的N浓度下氮化物组织均匀。从结果可以看出，在较低的氮浓度下可以获得更好的渗氮层组织。

图5 不同渗氮气氛下渗层金相组织图

2.3 渗氮气氛对渗层性能的影响

使用X射线衍射法测材料表面的残余应力，得到1#—5#残余应力数值为–340、–351、–446、–343、–371 MPa。试验图如图6所示，其中，为点试样表面法线，为衍射镜面法线，为应力方向，X为X射线管，D为探测器（计数管），2为衍射角，为衍射镜面方位角。采用维氏硬度计对表面硬度进行测量，使用1.96 N (200 kgf），在表面选取3点测得的硬度值平均作为表面硬度值，得到1#—5#试样表面硬度分别为1 138HV0.2、1 144HV0.2、1 153HV0.2、1 147HV0.2、1 129HV0.2。各个样品的表面硬度及偏差值如图7所示，其中，3#试样表面硬度值最大。表面硬度的提高有以下两方面原因：一是ε−Fe2,3N为硬脆相，渗氮过程中生成的ε−Fe2,3N可以有效提高表面硬度；二是N原子扩散并发生反应，生成ε−Fe2,3N相和γ’−Fe4N相，造成晶格畸变，存在残余压应力[22]。虽然1#、2#样品ε−Fe2,3N相的相对含量高于3#样品，理论上拥有更大的表面硬度，但由于1#和2#样品中存在脉状氮化组织，组织中粗大的氮化物导致渗层表面硬度下降[23]，而且组织不均匀使得1#和2#表面不同位置之间表面硬度偏差更大，不如3#、4#、5#一致性好。同时，3#样品中ε−Fe2,3N相与γ’−Fe4N相共存时，渗层残余压应力达到最大值，而根据Kaplun等[24]研究表明，残余应力值越大，表面硬度越大，与试验结果相符。

图8为1#—5#样品的维氏压痕形貌，其中1#试样右上边出现明显碎裂，脆性级别为2级，而2#—5#试样压痕边角完整无缺，脆性级别为1级。从样品形貌可以看出，随着N2在渗氮气氛中所占比例的下降，压痕周围的裂纹数量分别为10、8、4、0、0，压痕数量逐渐减少，其中4#和5#样品无裂纹出现，表现出了较好的韧性。从渗层组织的分析中可以看出，随着渗氮气氛中N2浓度降低，渗层表面白亮层的厚度下降，γ’−Fe4N相对含量增加，ε−Fe2,3N相对含量减少。而ε−Fe2,3N为面心立方结构，γ’−Fe4N为密排六方结构，密排六方结构相比面心立方结构具有更多的滑移系，在冲击过程中更易吸收更多冲击功而不易破碎，因此，γ’−Fe4N表现出更好的韧性。由此可见，当N2浓度降低时，渗层表面脆性得到明显改善，韧性提高[25-26]。

图6 表面残余应力试验

图7 不同样品的表面硬度及偏差

图8 不同渗氮气氛下渗层表面的维氏压痕形貌

综合以上结果可以看出，在UNIMAX钢离子渗氮过程中，当渗氮气氛中(N2)∶(H2)=1∶3和(N2)∶(H2)=1∶5时，UNIMAX钢表面形成的渗氮层硬度与韧性表现出良好的匹配度。同(N2)∶(H2)= 1∶5相比，(N2)∶(H2)=1∶3时UNIMAX钢表面形成的渗氮层深度更大，同时拥有更高的硬度。所以，在(N2)∶(H2)=1∶3时，形成的离子渗氮层综合性能最为优异。

3 结论

1）在离子渗氮过程中，通过降低渗氮气氛中N2浓度，可以有效减少化合物层厚度，抑制化合物层生成，而当(N2)∶(H2)=1∶5时，化合物层消失。但降低N2浓度同时会导致渗层深度的下降。

2）不同的渗氮气氛同样会对渗层组织产生影响。随着N2浓度的提高，扩散层中氮化物变得粗大，沿晶界析出形成脉状氮化物，使得扩散层组织劣化，进而影响表面硬度。

3) 经过离子渗氮处理，材料表面硬度有了明显的提升，表面硬度最终能达到1 120HV0.2以上，当(N2)∶(H2)=1∶1时，渗层表面硬度可以达到1 153HV0.2。而随着N2浓度的降低，脆性相ε−Fe2,3N含量降低，韧性相γ’−Fe4N含量增加，使得渗层脆性降低。在(N2)∶(H2)=1∶3时，可以获得综合性能优异的渗层组织。

[1] HAWRYLUK M, DOBRAS D, KASZUBA M, et al. Influence of the Different Variants of the Surface Treatment on the Durability of Forging Dies Made of Unimax Steel[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 107(11): 4725-4739.

[2] 方梦莎, 张津, 连勇. 马氏体不锈钢不同渗氮方法对比试验[J]. 金属热处理, 2021, 46(10): 221-225.

FANG Meng-sha, ZHANG Jin, LIAN Yong. Comparative Test on Different Nitriding Methods for Martensitic Stainless Steel[J]. Heat Treatment of Metals, 2021, 46(10): 221-225.

[3] ÇELIK A, KARADENIZ S. Investigation of Compound Layer Formed during Ion Nitriding of AISI 4140 Steel[J]. Surface and Coatings Technology, 1996, 80(3): 283-286.

[4] GRONOSTAJSKI Z, KASZUBA M, HAWRYLUK M, et al. A Review of the Degradation Mechanisms of the Hot Forging Tools[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2014, 14(4): 528-539.

[5] WIDOMSKI P, GRONOSTAJSKI Z. Comprehensive Review of Methods for Increasing the Durability of Hot Forging Tools[J]. Procedia Manufacturing, 2020, 47: 349-355.

[6] KATUNIN A. The Conception of the Fatigue Model for Layered Composites Considering Thermal Effects[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2011, 11(2): 333-343.

[7] 朱瑞华, 田林海, 鲍明东, 等. H13钢表面不含白亮层的渗氮层制备及其耐磨性能[J]. 机械工程材料, 2011, 35(8): 66-69.

ZHU Rui-hua, TIAN Lin-hai, BAO Ming-dong, et al. Nitriding Layer without White Layer Prepared on H13 Steel Surface and Its Abrasive Resistance[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2011, 35(8): 66-69.

[8] MOHAMMADZADEH R, AKBARI A, DROUET M.. Microstructure and Wear Properties of AISI M2 Tool Steel on RF Plasma Nitriding at Different N2-H2Gas Compositions[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 258: 566-573.

[9] PENG Tian-tian, ZHAO Xiao-bing, CHEN Yao, et al. Improvement of Stamping Performance of H13 Steel by Compound-Layer Free Plasma Nitriding[J]. Surface Engineering, 2020, 36(5): 492-497.

[10] 侯睿, 彭继华, 苏东艺. 工作气氛对H13钢低温低压离子渗氮化合物层的影响[J]. 材料热处理学报, 2021, 42(7): 119-125.

HOU Rui, PENG Ji-hua, SU Dong-yi. Effect of Working Atmosphere on Compound Layer of Low Temperature and Low Pressure Plasma Nitriding for H13 Steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2021, 42(7): 119-125.

[11] KAPLUN P V, LYASHENKO B A. Hydrogen Effect on Strength and Plasticity of Steels after Ion Nitriding in Hydrogen and Hydrogen-Free Environments[J]. Strength of Materials, 2020, 52(3): 407-413.

[12] 朱振中, 彭继华, 苏东艺. H13钢低温离子氮化组织与性能的研究[J]. 材料研究与应用, 2015, 9(4): 265-269, 274.

ZHU Zhen-zhong, PENG Ji-hua, SU Dong-yi. Study on the Microstructure and Properties of Low Temperature Ion Nitriding (LTPN) H13 Steel[J]. Materials Research and Application, 2015, 9(4): 265-269, 274.

[13] 陶杰, 姚正军, 薛烽. 材料科学基础[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2018.

TAO Jie, YAO Zheng-jun, XUE Feng. Material science foundation[M]. 2nd edition. Beijing: Chemical Industry Press, 2018.

[14] 房俊卓, 徐崇福. 三种X射线物相定量分析方法对比研究[J]. 煤炭转化, 2010, 33(2): 88-91.

FANG Jun-zhuo, XU Chong-fu. Study on Three Kinds of XRD Quantitative Analysis Methods[J]. Coal Conversion, 2010, 33(2): 88-91.

[15] AL-QAWABAH S, MOSTAFA A, AL-RAWAJFEH A, et al. Effect of Heat Treatment on the Grain Size, Microhardness and Corrosion Behavior of the Cold-Working Tool Steels AISI D2 and AISI O1[J]. Materiali in Tehnologije, 2020, 54(6): 785-790.

[16] 张滨, 孙玉珍, 王文皓. XPS数据处理中的峰形和背景扣除[J]. 物理测试, 2011, 29(1): 18-23.

ZHANG Bin, SUN Yu-zhen, WANG Wen-hao. Line Shapes Used in XPS and Background Subtraction[J]. Physics Examination and Testing, 2011, 29(1): 18-23.

[17] BIWER B M, BERNASEK S L. Electron Spectroscopic Study of the Iron Surface and Its Interaction with Oxygen and Nitrogen[J]. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 1986, 40(4): 339-351.

[18] ZHANG Yang-yang, FEIN J B, LI Yi-lian, et al. U(Ⅵ) Adsorption to Fe3O4Nanoparticles Coated with Lignite Humic Acid: Experimental Measurements and Surface Complexation Modeling[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 614: 126150.

[19] BARBER M, CONNOR J A, GUEST M F, et al. High Energy Photoelectron Spectroscopy of Transition Metal Complexes. Part 1-Bonding in Substituted and Unsubstituted First Row Carbonyls[J]. Faraday Discussions of the Chemical Society, 1972, 54: 219-226.

[20] BARROUX A, DUGUET T, N DUCOMMUN, et al. Combined XPS / TEM Study of the Chemical Composition and Structure of the Passive Film Formed on Additive Manufactured 17-4PH Stainless Steel[J]. Surfaces and Interfaces, 2021, 22: 100874.

[21] KARAMIŞ M B. An Investigation of the Properties and Wear Behaviour of Plasma-Nitrided Hot-Working Steel (H13)[J]. Wear, 1991, 150(1/2): 331-342.

[22] RAM MOHAN RAO K,NOUVEAU C, et al. Low Temperature Plasma Nitriding of Low Alloy Steel for the Enhancement of Hardness[J]. Materials Today: Proceedings, 2019, 17: 26-33.

[23] SHETTY K, KUMAR S, RAO P R.. Effect of Ion Nitriding on the Microstructure and Properties of Maraging Steel (250 Grade) [J]. Surface and Coatings Technology, 2009, 203(10/11): 1530-1536.

[24] KAPLUN P V, LYASHENKO B A. Determination of Residual Stresses in Surface Layers Upon Ion Nitriding by Microhardness Values[J]. Strength of Materials, 2016, 48(6): 777-783.

[25] CISQUINI P, RAMOS S V, LINS V F C, et al. Micro-Abrasive Wear Resistance of the Duplex Expanded Austenite Layer Phases Produced by Plasma Nitrocarburizing[J]. Wear, 2019, 436-437: 203039.

[26] SHAIKHUTDINOVA L R, KHAIRETDINOV E F, KHUSAINOV Y G. Effect of Ion Nitriding on the Structural and Phase Composition and Mechanical Properties of High-Speed Steel R6M5 after SPD[J]. Metal Science and Heat Treatment, 2020, 62(3): 263-268.

Effect of Ratio of Hydrogen to Nitrogen on Microstructure and Properties of UNIMAX Steel with Ion Nitriding

CAO Wen-feng1, HE Rui-jun1, WANG Xiao-ying1, GUO Kai-yu1, ZHOU Ge2, TIAN Ye1

(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The work aims to conduct process test of different ratio of hydrogen to nitrogen to reveal the effect law of different ratio of hydrogen to nitrogen on the microstructure and properties of UNIMAX steel, so as to solve the technical bottlenecks in ion nitriding surface modification of die steel for precision forging of high-end parts in aerospace, automobile and other fields.Ion nitriding of UNIMAX steel was conducted at different atmosphere under 500 ℃, 250 Pa in vacuum ion nitriding furnace. Microhardness tester, Vickers microhardness tester, optical microscope, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray stress analyzer were used to analyze and study the surface hardness, depth, microstructure, phase composition, surface residual stress and surface brittleness of nitrided layer after ion nitriding treatment. The results showed that with the decrease of N2concentration in nitriding atmosphere, the depth of nitrided layer decreased. When the N2concentration in the nitriding atmosphere decreased, the nitride structure in the diffusion layer became more uniform. At the same time, ε-Fe2,3N content decreased and γ’-Fe4N content increased with the decrease of N2content in the nitriding atmosphere. After ion nitriding treatment, the surface hardness was improved and it can reach 1 153 HV0.2 when(N2)∶(H2)=1∶1. When(N2)∶(H2)=1∶3, the surface hardness and toughness of the nitrided layer show a high degree of matching, and the optimal nitrided layer performance can be obtained with this process.

UNIMAX steel; ion nitriding; surface hardness; nitrided layer depth; microstructure and properties of nitrided layer

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.015

TG174.44

A

1674-6457(2023)01-0113-07

2022–02–15

2022-02-15

曹文峰（1995—），男，硕士生，主要研究方向为离子渗氮表面改性。

CAO Wen-feng (1995-), Male, Master, Research focus: surface modification by ion nitriding.

田野（1985—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为特种合金钢热加工及表面改性。

TIAN Ye (1985-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: Hot working and surface modification of special alloy steels.

曹文峰, 贺瑞军, 王晓颖, 等. 氮氢比对UNIMAX钢离子渗氮组织及性能的影响[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 113-119.

CAO Wen-feng, HE Rui-jun, WANG Xiao-ying, et al. Effect of Ratio of Hydrogen to Nitrogen on Microstructure and Properties of UNIMAX Steel with Ion Nitriding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 113-119.