表面纳米化对304不锈钢渗碳层组织和性能的影响

利用表面机械研磨(SMAT)对304不锈钢进行表面自纳米化处理,并对其纳米化表面进行渗碳处理。利用光学显微镜、X-射线衍射仪、磨料磨损试验机和显微硬度仪对处理后的不锈钢表面组织和性能进行了研究。结果表明:经SMAT处理并渗碳后,渗碳层晶粒细化,组织发生奥氏体向马氏体转变,显著提高了材料的力学性能;表面机械研磨处理后的材料的渗碳层厚度明显高于直接渗碳的粗晶材料的渗碳层厚度,渗碳层组织中主要碳化物为Cr7C3Cr23C6,显微硬度也有明显提高;经过表面自纳米化和渗碳复合处理,材料的耐磨性得到较大提升。

奥氏体不锈钢由于具有良好的耐腐蚀性能,被广泛应用于不同的领域。但是,其硬度不高,抗摩擦磨损性能较差,不能满足既耐磨又耐腐蚀的复合性能要求,因此,其使用范围受到了很大的限制。在服役环境中,304不锈钢作为一种典型的奥氏体不锈钢,其失稳(如疲劳、磨损和腐蚀等)大多开始于材料表面。材料表面组织结构和性能对疲劳失效影响显著,因此,优化表面的组织结构和性能可以有效地提高零件的可靠性。奥氏体不锈钢低温离子表面硬化处理可以在保持不锈钢耐蚀性的前提下,大幅度提高其表面硬度和耐磨性。常用的奥氏体不锈钢低温离子表面硬化处理的方法有离子渗氮、离子渗碳和离子氮碳共渗。这些方法在一定程度上提高了材料表面性能。

近年来,材料纳米化的技术研究不断进步,纳米技术的不断发展,使纳米化技术也成为表面处理的一种有效手段。纳米材料晶粒十分细小,晶界面缺陷密度高,材料中的界面所占的体积百分数增加。葛利玲等利用超音速微粒轰击技术(SFPB)对工程上常用的20Cr钢进行表面30min纳米化处理后进行低温气体渗氮处理,在450℃渗氮3h后获得了具有实用价值的化合物层,厚度610μm,渗氮6h后化合物层厚度增加到1215μm,氮化层深度达到约250μm,表面硬度提高到1185HV。目前,对于304不锈钢纳米化渗氮的复合工艺已有相关研究,对于单纯表面纳米化和渗碳处理的研究已经相对比较成熟,而对于304不锈钢纳米化后再渗碳的这种新型复合工艺研究相对较少。试验主要采用表面机械研磨(SMAT)方法,将304不锈钢进行表面纳米化处理,并对纳米化表面进行离子渗碳处理。这种复合工艺在不降低材料韧性的同时,提高了材料表面的强度,纳米化渗碳在材料表面形成合理的硬度梯度分布,提高材料的综合力学性能。对表面机械研磨后经渗碳处理的304不锈钢进行金相组织观察、X-射线衍射分析、磨损试验和显微硬度测量,对其显微组织和性能进行研究。

1材料与方法

1.1试样制备

试验材料是厚度为5mm的热轧态304不锈钢板,化学成分如表1所示。在机械研磨之前,将板材切割成20mm×10mm×5mm的试样,通过打磨抛光以除去表面氧化膜,使表面洁净平整。

1.2试验方法

材料表面机械研磨采用SNC-1型研磨实验机,如图1所示,用8mm直径的不锈钢小球,在振动频率50Hz下处理30min,并采用QS6110-H高温多用炉对试样进行渗碳处理,处理工艺:渗碳温度923℃,渗碳时间7h,碳势(扩散时甲醇用量)0.85~0.87,随炉冷却。通过VK-9710型激光共聚焦显微镜观察渗碳层的显微组织,选用5%FeCl3溶液为腐蚀液;采用HVS-1000Z型显微维氏硬度计,在50g载荷下,保荷20s,测量纳米化前后经渗碳处理的试样表面的硬度值;PANalyticalXPertPROX射线衍射分析仪对渗碳层的显微组织进行表征;ML-10型磨料磨损试验机测试试样表面的耐磨性,载荷300N,平均摩擦因数为0.011,用精度0.1mg的电子分析天平来进行称重。

2结果与讨论

2.1组织分析

2为粗晶(未SMAT304不锈钢渗碳处理后的金相组织。304不锈钢未经表面处理时,组织粗大,经过渗碳,碳化物大多在晶界处形成[15],晶界较暗,化合物层(A区)厚度大约为100μm,过渡层(B区)厚度约为300μm。图3为表面机械研磨(SMAT)304不锈钢渗碳处理的金相组织。经过表面纳米化和渗碳的复合处理,化合物层厚度约为150μm,过渡层厚度在200μm左右,由于材料在表面处理过程中受到强大的外力作用,从而由表面到心部产生不同程度的塑性变形,表面的塑性变形最为强烈,几乎无法看到清晰的晶界。渗碳处理使材料表面形成少量碳化物,经纳米化渗碳的材料表面碳化物较多,且更为细小。这可能是由于经过机械研磨使试样表面产生了大量的塑性变形,变形有利于弥散细小的碳化物在表面钉扎。

由图2和图3对比可以发现,经过渗碳处理后,不论是粗晶材料还是表面纳米化材料表面都大致分为三层,由表面到心部依次为化合物层、过渡层和基体。其中化合物层呈明显的亮白色(A),过渡层可见明显的晶界(B区),基体(C区)部分则保持着304不锈钢在热轧过程中形成的流线型组织。由于表面纳米化处理时304不锈钢表面发生了强烈的塑性变形,晶粒得到细化的同时还产生了大量的位错、孪晶等缺陷组织[16],这为渗碳过程中碳原子的扩散提供了更多的通道,提高了碳原子的扩散系数,降低了碳原子的扩散激活能。除此之外,经过表面纳米化,材料发生了奥氏体向马氏体的转变,在材料表面生成了一定量的马氏体相。纳米化渗碳的试样晶粒明显的细化,晶界的数量增加,且颜色也发生了明显的变化。综上所述,经过机械研磨后碳原子的扩散能力明显提高,主要是因为机械研磨时,一方面发生了奥氏体向马氏体的转变,另一方面是塑性变形导致了位错和晶界的增加。

2.2XRD分析

4304不锈钢未经处理、未SMAT渗碳层和SMAT渗碳层的X射线衍射图谱。由图4可知,304不锈钢未经处理时,其组织是奥氏体组织,衍射峰很强,且较宽。未纳米化的渗碳试样存在大量的奥氏体组织,且衍射峰强度较高,衍射峰宽度较窄,表明未经纳米化的试样组织主要以奥氏体为主。由图4可知,304不锈钢表面纳米化后的渗碳试样中,奥氏体组织几乎全部消失,转变为马氏体和碳化物,衍射峰强度也出现了明显减弱,宽度出现宽化现象,由于SMAT的作用,304不锈钢表面发生塑性变形,诱发马氏体转变。

对比图43种状态下材料的X射线衍射图谱,未纳米化试样与纳米化的试样中都存在大量Cr7C3Cr23C6,这是由于304不锈钢化学成分中存在大量Cr元素,Cr属于强碳化合物形成元素。经渗碳后,Cr元素与C元素形成常见的铬碳化合物。经纳米化处理的材料中,铬碳化合物相对较多,这可能是由于机械研磨使材料表面产生了塑性变形,碳原子扩散能力增强,有利于碳化物的形成,同时由于材料发生较大的塑性变形,产生切变共格,应变诱发奥氏体向马氏体转变。

2.3硬度分析

如图5所示,分别对表面机械研磨前后经渗碳处理的试样进行显微硬度测试,由图可知,机械研磨纳米化使304不锈钢渗碳试样外表面的硬度,由纳米化之前的553.3HV0.05提高到了纳米化后的647.5HV0.05。由图5可知,在深度小于400μm表面层,纳米化及未纳米化304不锈钢渗碳试样的硬度都有明显的提高。渗碳和纳米化都能提高304不锈钢的表面硬度。只渗碳时,碳原子固溶于奥氏体晶格内产生固溶强化,同时部分碳化物析出产生沉淀强化。纳米化后再渗碳处理的试样和未经过表面纳米化处理的渗碳试样相比,经过表面纳米化处理的渗碳试样的表面硬度分布更好。在纳米化后进行渗碳处理,304不锈钢的表面硬度比基体硬度提高了3倍以上。这是由于经机械研磨后,试样表面产生了大量塑性变形,材料产生了形变强化和晶粒细化;其次,渗碳后形成的碳化物颗粒弥散分布在组织中达到了弥散强化的效果,同时渗碳时部分碳原子固溶于组织中,达到固溶强化的效果。形变强化、晶粒细化、碳化物生成和固溶强化等多种强化机制的共同作用使试样表面硬度达到最高,过渡区次之,基体硬度相对较低。

2. 4摩擦磨损

2SMAT前后304不锈钢渗碳处理后的试样经50min摩擦磨损试验的磨损量。由表2可知,304不锈钢未经SMAT的平均失重为1.49×10-2g,而经过SMAT的不锈钢平均重只有6.2×10-3g,可见SMAT304不锈钢的耐磨性有较大的提高。

6SMAT前后304不锈钢渗碳后经过不同时间的磨损量,由图6可知,在15min以前纳米化渗碳的磨损量明显小于只渗碳的试样,而在15min25min之间,纳米化渗碳试样曲线斜率反而大于未纳米化渗碳试样,即在这个时间段纳米化渗碳试样在单位时间内的磨损量反而更大,这可能跟材料本身的成分、组织结构以及晶体缺陷等有关,在25min之后纳米化渗碳试样的磨损量又低于未纳米化渗碳试样的磨损量。综上所述,经过纳米化的渗碳不锈钢试样的耐磨性更好,这是由于纳米化过程中,304不锈钢表面晶粒细化,且产生塑性变形,缺陷数量增加为渗碳提供了理想的通道。表明组织越均匀、晶粒越细小,渗碳后硬度越高、耐磨性能越好。

3结论

(1SMAT使304不锈钢产生塑性变形,缺陷数量增加,为渗碳提供了理想的通道,显著增加了渗碳层深度;

(2SMAT使304不锈钢产生大量塑性变形,应变诱使奥氏体发生马氏体转变,从而获得硬度更高的马氏体组织;

(3SMAT使304不锈钢渗碳层晶粒得到细化,304不锈钢表面的显微硬度由未纳米化渗碳的553.3HV0.05提高到了纳米化渗碳的647.5HV0.05,显微硬度得到提高的同时,耐磨性也得到显著提高,50min摩擦磨损试验后,磨损量由未纳米化渗碳1.49×10-2g降为纳米化渗碳的6.2×10-3g

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