表面納米化對304不銹鋼滲碳層組織和性能的影響

利用表面機械研磨(SMAT)對304不銹鋼進行表面自納米化處理,并對其納米化表面進行滲碳處理。利用光學顯微鏡、X-射線衍射儀、磨料磨損試驗機和顯微硬度儀對處理后的不銹鋼表面組織和性能進行了研究。結果表明:經SMAT處理并滲碳后,滲碳層晶粒細化,組織發生奧氏體向馬氏體轉變,顯著提高了材料的力學性能;表面機械研磨處理后的材料的滲碳層厚度明顯高于直接滲碳的粗晶材料的滲碳層厚度,滲碳層組織中主要碳化物為Cr7C3Cr23C6,顯微硬度也有明顯提高;經過表面自納米化和滲碳復合處理,材料的耐磨性得到較大提升。

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐腐蝕性能,被廣泛應用于不同的領域。但是,其硬度不高,抗摩擦磨損性能較差,不能滿足既耐磨又耐腐蝕的復合性能要求,因此,其使用范圍受到了很大的限制。在服役環境中,304不銹鋼作為一種典型的奧氏體不銹鋼,其失穩(如疲勞、磨損和腐蝕等)大多開始于材料表面。材料表面組織結構和性能對疲勞失效影響顯著,因此,優化表面的組織結構和性能可以有效地提高零件的可靠性。奧氏體不銹鋼低溫離子表面硬化處理可以在保持不銹鋼耐蝕性的前提下,大幅度提高其表面硬度和耐磨性。常用的奧氏體不銹鋼低溫離子表面硬化處理的方法有離子滲氮、離子滲碳和離子氮碳共滲。這些方法在一定程度上提高了材料表面性能。

近年來,材料納米化的技術研究不斷進步,納米技術的不斷發展,使納米化技術也成為表面處理的一種有效手段。納米材料晶粒十分細小,晶界面缺陷密度高,材料中的界面所占的體積百分數增加。葛利玲等利用超音速微粒轟擊技術(SFPB)對工程上常用的20Cr鋼進行表面30min納米化處理后進行低溫氣體滲氮處理,在450℃滲氮3h后獲得了具有實用價值的化合物層,厚度610μm,滲氮6h后化合物層厚度增加到1215μm,氮化層深度達到約250μm,表面硬度提高到1185HV。目前,對于304不銹鋼納米化滲氮的復合工藝已有相關研究,對于單純表面納米化和滲碳處理的研究已經相對比較成熟,而對于304不銹鋼納米化后再滲碳的這種新型復合工藝研究相對較少。試驗主要采用表面機械研磨(SMAT)方法,將304不銹鋼進行表面納米化處理,并對納米化表面進行離子滲碳處理。這種復合工藝在不降低材料韌性的同時,提高了材料表面的強度,納米化滲碳在材料表面形成合理的硬度梯度分布,提高材料的綜合力學性能。對表面機械研磨后經滲碳處理的304不銹鋼進行金相組織觀察、X-射線衍射分析、磨損試驗和顯微硬度測量,對其顯微組織和性能進行研究。

1材料與方法

1.1試樣制備

試驗材料是厚度為5mm的熱軋態304不銹鋼板,化學成分如表1所示。在機械研磨之前,將板材切割成20mm×10mm×5mm的試樣,通過打磨拋光以除去表面氧化膜,使表面潔凈平整。

1.2試驗方法

材料表面機械研磨采用SNC-1型研磨實驗機,如圖1所示,用8mm直徑的不銹鋼小球,在振動頻率50Hz下處理30min,并采用QS6110-H高溫多用爐對試樣進行滲碳處理,處理工藝:滲碳溫度923℃,滲碳時間7h,碳勢(擴散時甲醇用量)0.85~0.87,隨爐冷卻。通過VK-9710型激光共聚焦顯微鏡觀察滲碳層的顯微組織,選用5%FeCl3溶液為腐蝕液;采用HVS-1000Z型顯微維氏硬度計,在50g載荷下,保荷20s,測量納米化前后經滲碳處理的試樣表面的硬度值;PANalyticalXPertPROX射線衍射分析儀對滲碳層的顯微組織進行表征;ML-10型磨料磨損試驗機測試試樣表面的耐磨性,載荷300N,平均摩擦因數為0.011,用精度0.1mg的電子分析天平來進行稱重。

2結果與討論

2.1組織分析

2為粗晶(未SMAT304不銹鋼滲碳處理后的金相組織。304不銹鋼未經表面處理時,組織粗大,經過滲碳,碳化物大多在晶界處形成[15],晶界較暗,化合物層(A區)厚度大約為100μm,過渡層(B區)厚度約為300μm。圖3為表面機械研磨(SMAT)304不銹鋼滲碳處理的金相組織。經過表面納米化和滲碳的復合處理,化合物層厚度約為150μm,過渡層厚度在200μm左右,由于材料在表面處理過程中受到強大的外力作用,從而由表面到心部產生不同程度的塑性變形,表面的塑性變形最為強烈,幾乎無法看到清晰的晶界。滲碳處理使材料表面形成少量碳化物,經納米化滲碳的材料表面碳化物較多,且更為細小。這可能是由于經過機械研磨使試樣表面產生了大量的塑性變形,變形有利于彌散細小的碳化物在表面釘扎。

由圖2和圖3對比可以發現,經過滲碳處理后,不論是粗晶材料還是表面納米化材料表面都大致分為三層,由表面到心部依次為化合物層、過渡層和基體。其中化合物層呈明顯的亮白色(A),過渡層可見明顯的晶界(B區),基體(C區)部分則保持著304不銹鋼在熱軋過程中形成的流線型組織。由于表面納米化處理時304不銹鋼表面發生了強烈的塑性變形,晶粒得到細化的同時還產生了大量的位錯、孿晶等缺陷組織[16],這為滲碳過程中碳原子的擴散提供了更多的通道,提高了碳原子的擴散系數,降低了碳原子的擴散激活能。除此之外,經過表面納米化,材料發生了奧氏體向馬氏體的轉變,在材料表面生成了一定量的馬氏體相。納米化滲碳的試樣晶粒明顯的細化,晶界的數量增加,且顏色也發生了明顯的變化。綜上所述,經過機械研磨后碳原子的擴散能力明顯提高,主要是因為機械研磨時,一方面發生了奧氏體向馬氏體的轉變,另一方面是塑性變形導致了位錯和晶界的增加。

2.2XRD分析

4304不銹鋼未經處理、未SMAT滲碳層和SMAT滲碳層的X射線衍射圖譜。由圖4可知,304不銹鋼未經處理時,其組織是奧氏體組織,衍射峰很強,且較寬。未納米化的滲碳試樣存在大量的奧氏體組織,且衍射峰強度較高,衍射峰寬度較窄,表明未經納米化的試樣組織主要以奧氏體為主。由圖4可知,304不銹鋼表面納米化后的滲碳試樣中,奧氏體組織幾乎全部消失,轉變為馬氏體和碳化物,衍射峰強度也出現了明顯減弱,寬度出現寬化現象,由于SMAT的作用,304不銹鋼表面發生塑性變形,誘發馬氏體轉變。

對比圖43種狀態下材料的X射線衍射圖譜,未納米化試樣與納米化的試樣中都存在大量Cr7C3Cr23C6,這是由于304不銹鋼化學成分中存在大量Cr元素,Cr屬于強碳化合物形成元素。經滲碳后,Cr元素與C元素形成常見的鉻碳化合物。經納米化處理的材料中,鉻碳化合物相對較多,這可能是由于機械研磨使材料表面產生了塑性變形,碳原子擴散能力增強,有利于碳化物的形成,同時由于材料發生較大的塑性變形,產生切變共格,應變誘發奧氏體向馬氏體轉變。

2.3硬度分析

如圖5所示,分別對表面機械研磨前后經滲碳處理的試樣進行顯微硬度測試,由圖可知,機械研磨納米化使304不銹鋼滲碳試樣外表面的硬度,由納米化之前的553.3HV0.05提高到了納米化后的647.5HV0.05。由圖5可知,在深度小于400μm表面層,納米化及未納米化304不銹鋼滲碳試樣的硬度都有明顯的提高。滲碳和納米化都能提高304不銹鋼的表面硬度。只滲碳時,碳原子固溶于奧氏體晶格內產生固溶強化,同時部分碳化物析出產生沉淀強化。納米化后再滲碳處理的試樣和未經過表面納米化處理的滲碳試樣相比,經過表面納米化處理的滲碳試樣的表面硬度分布更好。在納米化后進行滲碳處理,304不銹鋼的表面硬度比基體硬度提高了3倍以上。這是由于經機械研磨后,試樣表面產生了大量塑性變形,材料產生了形變強化和晶粒細化;其次,滲碳后形成的碳化物顆粒彌散分布在組織中達到了彌散強化的效果,同時滲碳時部分碳原子固溶于組織中,達到固溶強化的效果。形變強化、晶粒細化、碳化物生成和固溶強化等多種強化機制的共同作用使試樣表面硬度達到最高,過渡區次之,基體硬度相對較低。

2. 4摩擦磨損

2SMAT前后304不銹鋼滲碳處理后的試樣經50min摩擦磨損試驗的磨損量。由表2可知,304不銹鋼未經SMAT的平均失重為1.49×10-2g,而經過SMAT的不銹鋼平均重只有6.2×10-3g,可見SMAT304不銹鋼的耐磨性有較大的提高。

6SMAT前后304不銹鋼滲碳后經過不同時間的磨損量,由圖6可知,在15min以前納米化滲碳的磨損量明顯小于只滲碳的試樣,而在15min25min之間,納米化滲碳試樣曲線斜率反而大于未納米化滲碳試樣,即在這個時間段納米化滲碳試樣在單位時間內的磨損量反而更大,這可能跟材料本身的成分、組織結構以及晶體缺陷等有關,在25min之后納米化滲碳試樣的磨損量又低于未納米化滲碳試樣的磨損量。綜上所述,經過納米化的滲碳不銹鋼試樣的耐磨性更好,這是由于納米化過程中,304不銹鋼表面晶粒細化,且產生塑性變形,缺陷數量增加為滲碳提供了理想的通道。表明組織越均勻、晶粒越細小,滲碳后硬度越高、耐磨性能越好。

3結論

(1SMAT使304不銹鋼產生塑性變形,缺陷數量增加,為滲碳提供了理想的通道,顯著增加了滲碳層深度;

(2SMAT使304不銹鋼產生大量塑性變形,應變誘使奧氏體發生馬氏體轉變,從而獲得硬度更高的馬氏體組織;

(3SMAT使304不銹鋼滲碳層晶粒得到細化,304不銹鋼表面的顯微硬度由未納米化滲碳的553.3HV0.05提高到了納米化滲碳的647.5HV0.05,顯微硬度得到提高的同時,耐磨性也得到顯著提高,50min摩擦磨損試驗后,磨損量由未納米化滲碳1.49×10-2g降為納米化滲碳的6.2×10-3g

文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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