分享：预应变对３０４奥氏体不锈钢低温气体渗碳的影响

明辉,巩建鸣,姜 勇,彭亚伟

(南京工业大学机械与动力工程学院,南京 ２１１８１６)

摘 要:采用拉伸试验机对３０４奥氏体不锈钢进行了不同程度的塑性预应变,然后利用新型低温气体渗碳工艺对其进行渗碳处理,最后通过残余应力仪、X 射线衍射仪、铁素体测量仪等分析了预应变对３０４奥氏体不锈钢低温气体渗碳的影响.结果表明:预应变后３０４奥氏体不锈钢中发生了马氏体相变,马氏体转变量随着变形程度的增大而增多,当预应变超过１５％后马氏体转变量的增加比较显著;预应变几乎不会影响其渗碳层的厚度,且渗碳层中的马氏体转变为扩张奥氏体(γC);预应变不影响３０４奥氏体不锈钢低温气体渗碳的表面强化效果.

关键词:３０４奥氏体不锈钢;预应变;马氏体;低温气体渗碳

中图分类号:TG１５６．８  文献标志码:A  文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０５Ｇ０００７Ｇ０４

０ 引 言

奥氏体不锈钢凭借其优异的耐蚀性、成型性、相容性 以 及 在 很 大 温 度 范 围 内 的 优 良 韧 性 等 优点,而被广泛地用于核能、化工、食品、制药和生物医学等领域中.但是由于奥氏体不锈钢含碳量低(质量分数低于０．０３％),导 致 了 其表 面硬度和强

度偏低,同时耐磨性能也比较差,因此在用于承受较高载荷或对表面硬度、强度、耐磨性等有较高要求的设备或部件时,例如齿轮、轴承、泵壳等,其使用寿命将会 受 到 严 重 的 影 响,所 以 需 要 在 保 证 其良好综合性能的前提下采取一些强化措施来提高其表面强度.低温气体渗碳是近十几年内发展起来的新型奥氏体不锈钢表面强化技术[１Ｇ２],是在铬的碳化物形成温度(一般为５００℃[３])以下对奥氏体不锈钢进行气体渗碳.经过渗碳处理的不锈钢表面形成了s相,也称作扩张奥氏体相(γC),即大量的碳原子溶入到奥氏体面心立方晶格中,造成表面碳原子的质量分数高达３％[４],碳原子的质量分数从表面向基体缓慢降低,从而使不锈钢表面产生高达２GPa的压应力,具有１１６７ HV 的极高表面硬度[５].由于以上优异的性能,低温渗碳技术引起了国内外研究者们的兴趣,并开展了一系列的研究[６Ｇ９].但所有研究的试验材料均处于理想状态,并未考虑到塑性变形的影响.在实际生产过程中,奥氏体不锈钢零部件在加工制造过程中要经过冷轧、冷拔、冷弯、平整、矫正等冷加工工艺,这会导致材料发生塑性变形[１０Ｇ１１].对于亚稳态的奥氏体不锈钢,如３０４不锈钢,经预应变后会诱发马氏体相变[１２],这可能会对接下来的低温气体渗碳强化带来影响.为此,作者对３０４奥氏体不锈钢进行了不同程度的预应变,测出了预应变后钢中的马氏体含量,并通过分析渗碳前后的显微组织、物相组成、表面硬度和残余应力,研究了预应变对３０４奥氏体不锈钢低温气体渗碳效果的影响.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

试验材料为商用热轧３０４奥氏体不锈钢,其最终热处理为１０８０℃固溶处理.试验钢的化学成分(质量 分 数/％)为 ０．０３５C,１８．６４Cr,８．０１Ni,１．１０Mn,０．４３６Si,余 Fe.沿着轧制方向采用线切割加工出尺寸如图１所示的拉伸试样,对试样表面进行机械研磨和电解抛光处理,以消除加工应力的影响;用丙酮乙醇混合液清洗试样表面,用去离子水冲洗试样并吹干.在室温下,采用岛津 EHFＧEV１００K１型液压伺服拉 伸 试 验 机 进 行 拉 伸 预 变 形,拉 伸 速 度 为０．５mm??min－１,塑 性 预 应 变ε 分 别 为 ５％,１０％,１５％,２０％,２５％.

５mm×６mm 的试样,置于自制的渗碳炉[１３]中进行低温气体渗碳.渗碳工艺分为表面活化和渗碳两个阶段,先升温至２５０℃,保温一段时间后通入表面活化剂 HCl气体,去除表面的钝化膜;再升温至４７０℃,并保温一段时间,然后通入 CO,H２ 及 N２ 的混合气体,在４７０℃下进行３０,４０,７０,１５０min的渗碳处理.下文中如无特别说明,均指渗碳处理３０min的.

１．２ 试验方法

采用 AxioImager．A１m 型光学显微镜观察试样渗碳前后的显微组织,腐蚀剂为 marble′s溶 液(硫酸铜Ｇ盐酸溶液);采用 HXDＧ１０００TM 型显微硬度计测试试样渗碳前后的硬度,加载载荷为１N,保压时间为５s;采用IXRD型残余应力测试仪测试残余应力,选用锰靶,Kα 辐射,曝光时间为２s,曝光次数为１０次,１mm 光圈,X 射线管电压及电流分别为１８．０kV 和４．０mA;采用 RigakuSmartLab型 X射线衍射仪(XRD)分 析 渗 碳 前 后 试 样 的 物 相,选用铜靶,扫描范围为３０°~９０°,扫描速率为１０(°)??min－１.３０４奥 氏 体 不 锈 钢 中 的 奥 氏 体 相 为 顺 磁性,磁性检测时表现为弱磁性或者无磁性,而马氏体相则是 一 种 铁 磁 相.针 对 这 一 特 性,目 前 普 遍采用铁素体测量仪来进行形变诱发马氏体相变程度的测[１４].采用 MF３００F＋型铁素体测量仪测马氏体的含量.

２ 试验结果与讨论

２．１ 预应变后不锈钢的显微组织及物相组成

由图２可以看到:未变形不锈钢的组织为单一的奥氏体组织,晶界清晰,组织均匀;随着预应变的增加,奥氏体组织中出现了明显的孪晶、滑移带和板条状马氏体.从图３中可以看出:未变形的不锈钢XRD谱中只有单一的奥氏体峰;预应变１０％以后,３０４不锈钢的 XRD谱中出现了明显的 α′马氏体峰;经过不同程度的塑性预变形后,３０４不锈钢中奥氏体(１１１)、(２００)和(２２０)面的衍射峰强度变化不一致,这与晶粒的择优取向有关.可以看出,在塑性变形过程中,随着变形量的增加,３０４奥氏体不锈钢中出现了奥氏体γ向α′马氏体的转变.

从图４中可以看出,３０４不锈钢中α′马氏体的体积分数随着塑性预应变的增加而增大,当预应变小于１５％时,α′马氏体的体积分数缓慢增加,预应变在１５％ ~２５％ 时,α′马 氏 体 的 体 积 分 数 迅 速 增加.这表明３０４不锈钢在塑性变形过程中,形变诱导了马氏体相变,导致产生铁磁性.

２．２ 渗碳层的形貌及硬度

由图５可以看出:渗碳后,３０４ 不 锈 钢 表 面 均形成了一层明显的渗碳层,渗碳层的厚度均匀,呈亮白色,与心部的奥氏体组织有明显的区别;渗碳

层厚度并没 有 随 着 预 应 变 的 增 大 而 增 加,渗 碳 层厚度约为２８μm.这表明在马氏体增多的情况下,碳原子的 扩 散 并 没 有 得 到 明 显 增 强.此 外,渗 碳层中的马氏体消失,转变为了扩张奥氏体(γC),与原有扩 张 奥 氏 体 相 并 没 有 任 何 的 区 别,这 与 YU等[１５]观 察 到 的 现 象 一 致.YU 等 做 出 了 如 下 解释:氮原子是 形 成 奥 氏 体 或 者 扩 张 奥 氏 体 必 要 的

稳定元素,α′马氏体先转变为奥氏体,奥氏体再转变为扩张奥氏 体(γN ).与 氮 原 子 类 似,碳 原 子 也是奥氏体 必 要 的 稳 定 元 素.因 此,在 塑 性 变 形 时诱发的α′马氏体由于间隙碳原子的溶解而转变为奥氏体,最 终 转 变 为 扩 张 奥 氏 体(γC).为 了 证 实这一推测,在相同的条件下(４７０ ℃),对预应变后的３０４奥氏体不锈钢分别进行４０,７０,１５０ min的渗碳处理,试样的 XRD 谱如图６所示.由图６可以看出:渗碳初期由于碳原子的溶解,奥氏体和α′马氏体的衍 射 峰 强 度 都 降 低;随 着 渗 碳 时 间 的 延长,γ的(１１１)峰强度增加,α′的(１１０)峰强度减弱.、从图７中可以看出,渗碳不锈钢表层的γC 衍射

峰变宽,且均向小角度方向偏移,这主要是由于碳原子的大量渗入导致表层奥氏体面心立方晶格常数及晶面间距增大[５].另外,还可以看到 α′(１１０)峰消失,这与渗碳层的形貌一致,渗碳层中的马氏体转变为扩张奥氏体(γC).

由图８可见,渗碳不锈钢表面的超饱和奥氏体相表现出了超高的硬度(约为９００HV)和压缩残余应力(约为－１５００ MPa).亮白色的渗碳层具有高硬度特征,表面硬度的增大可以大幅提高表面的耐磨性能[５].很显然,渗碳不锈钢的表面硬度和残余应力与预变形量的大小无关.这也就是说,预应变３０４不锈钢经低温气体渗碳后的强化机理主要还是间隙碳原子的固溶强化,即碳浓度增加到一定程度时,过饱和固溶于表层奥氏体中的碳原子会导致晶格畸变,同时形成大量孪晶、堆垛层错等晶体缺陷,导致位错密度的增加,对表面起到了冷作硬化的效果.因此,预应变对３０４奥氏体不锈钢低温气体渗碳的表面强化效果没有影响.

３ 结 论

(１)室温下,经塑性拉伸变形后的３０４奥氏体不锈钢组织中出现了 α′马氏体;预应变小于 １５％时,钢中 α′马氏体的体积分数缓慢增长,预应变超过１５％后,α′马氏体的体积分数迅速增加.

(２)预应变不会影响３０４奥氏体不锈钢低温气体渗碳层的厚度,且渗碳层中的马氏体会转变为扩张型奥氏体.

(３)预应变对３０４奥氏体不锈钢造成的形变和相变不会影响低温气体渗碳的效果,这说明低温气体渗碳表面强化方法可以应用到实际已发生塑性变形的奥氏体不锈钢零部件上.

来源：材料与测试网