明輝,鞏建鳴,姜 勇,彭亞偉

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 ２１１８１６)

摘 要:采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)３０４奧氏體不銹鋼進(jìn)行了不同程度的塑性預(yù)應(yīng)變,然后利用新型低溫氣體滲碳工藝對(duì)其進(jìn)行滲碳處理,最后通過殘余應(yīng)力儀、X 射線衍射儀、鐵素體測量儀等分析了預(yù)應(yīng)變對(duì)３０４奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳的影響.結(jié)果表明:預(yù)應(yīng)變后３０４奧氏體不銹鋼中發(fā)生了馬氏體相變,馬氏體轉(zhuǎn)變量隨著變形程度的增大而增多,當(dāng)預(yù)應(yīng)變超過１５％后馬氏體轉(zhuǎn)變量的增加比較顯著;預(yù)應(yīng)變幾乎不會(huì)影響其滲碳層的厚度,且滲碳層中的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張奧氏體(γC);預(yù)應(yīng)變不影響３０４奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳的表面強(qiáng)化效果.

關(guān)鍵詞:３０４奧氏體不銹鋼;預(yù)應(yīng)變;馬氏體;低溫氣體滲碳

中圖分類號(hào):TG１５６．８文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０５Ｇ０００７Ｇ０４

０ 引 言

奧氏體不銹鋼憑借其優(yōu)異的耐蝕性、成型性、相容性 以 及 在 很 大 溫 度 范 圍 內(nèi) 的 優(yōu) 良 韌 性 等 優(yōu)點(diǎn),而被廣泛地用于核能、化工、食品、制藥和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中.但是由于奧氏體不銹鋼含碳量低(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于０．０３％),導(dǎo) 致 了 其表 面硬度和強(qiáng)

度偏低,同時(shí)耐磨性能也比較差,因此在用于承受較高載荷或?qū)Ρ砻嬗捕?、?qiáng)度、耐磨性等有較高要求的設(shè)備或部件時(shí),例如齒輪、軸承、泵殼等,其使用壽命將會(huì) 受 到 嚴(yán) 重 的 影 響,所 以 需 要 在 保 證 其良好綜合性能的前提下采取一些強(qiáng)化措施來提高其表面強(qiáng)度.低溫氣體滲碳是近十幾年內(nèi)發(fā)展起來的新型奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)化技術(shù)[１Ｇ２],是在鉻的碳化物形成溫度(一般為５００℃[３])以下對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行氣體滲碳.經(jīng)過滲碳處理的不銹鋼表面形成了s相,也稱作擴(kuò)張奧氏體相(γC),即大量的碳原子溶入到奧氏體面心立方晶格中,造成表面碳原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)３％[４],碳原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從表面向基體緩慢降低,從而使不銹鋼表面產(chǎn)生高達(dá)２GPa的壓應(yīng)力,具有１１６７ HV 的極高表面硬度[５].由于以上優(yōu)異的性能,低溫滲碳技術(shù)引起了國內(nèi)外研究者們的興趣,并開展了一系列的研究[６Ｇ９].但所有研究的試驗(yàn)材料均處于理想狀態(tài),并未考慮到塑性變形的影響.在實(shí)際生產(chǎn)過程中,奧氏體不銹鋼零部件在加工制造過程中要經(jīng)過冷軋、冷拔、冷彎、平整、矯正等冷加工工藝,這會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形[１０Ｇ１１].對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體不銹鋼,如３０４不銹鋼,經(jīng)預(yù)應(yīng)變后會(huì)誘發(fā)馬氏體相變[１２],這可能會(huì)對(duì)接下來的低溫氣體滲碳強(qiáng)化帶來影響.為此,作者對(duì)３０４奧氏體不銹鋼進(jìn)行了不同程度的預(yù)應(yīng)變,測出了預(yù)應(yīng)變后鋼中的馬氏體含量,并通過分析滲碳前后的顯微組織、物相組成、表面硬度和殘余應(yīng)力,研究了預(yù)應(yīng)變對(duì)３０４奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳效果的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn)材料為商用熱軋３０４奧氏體不銹鋼,其最終熱處理為１０８０℃固溶處理.試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量 分 數(shù)/％)為 ０．０３５C,１８．６４Cr,８．０１Ni,１．１０Mn,０．４３６Si,余 Fe.沿著軋制方向采用線切割加工出尺寸如圖１所示的拉伸試樣,對(duì)試樣表面進(jìn)行機(jī)械研磨和電解拋光處理,以消除加工應(yīng)力的影響;用丙酮乙醇混合液清洗試樣表面,用去離子水沖洗試樣并吹干.在室溫下,采用島津 EHFＧEV１００K１型液壓伺服拉 伸 試 驗(yàn) 機(jī) 進(jìn) 行 拉 伸 預(yù) 變 形,拉 伸 速 度 為０．５mm??min－１,塑 性 預(yù) 應(yīng) 變?chǔ)?分 別 為 ５％,１０％,１５％,２０％,２５％.

５mm×６mm 的試樣,置于自制的滲碳爐[１３]中進(jìn)行低溫氣體滲碳.滲碳工藝分為表面活化和滲碳兩個(gè)階段,先升溫至２５０℃,保溫一段時(shí)間后通入表面活化劑 HCl氣體,去除表面的鈍化膜;再升溫至４７０℃,并保溫一段時(shí)間,然后通入 CO,H２ 及 N２ 的混合氣體,在４７０℃下進(jìn)行３０,４０,７０,１５０min的滲碳處理.下文中如無特別說明,均指滲碳處理３０min的.

１．２ 試驗(yàn)方法

采用 AxioImager．A１m 型光學(xué)顯微鏡觀察試樣滲碳前后的顯微組織,腐蝕劑為 marble′s溶 液(硫酸銅Ｇ鹽酸溶液);采用 HXDＧ１０００TM 型顯微硬度計(jì)測試試樣滲碳前后的硬度,加載載荷為１N,保壓時(shí)間為５s;采用IXRD型殘余應(yīng)力測試儀測試殘余應(yīng)力,選用錳靶,Kα 輻射,曝光時(shí)間為２s,曝光次數(shù)為１０次,１mm 光圈,X 射線管電壓及電流分別為１８．０kV 和４．０mA;采用 RigakuSmartLab型 X射線衍射儀(XRD)分 析 滲 碳 前 后 試 樣 的 物 相,選用銅靶,掃描范圍為３０°~９０°,掃描速率為１０(°)??min－１.３０４奧 氏 體 不 銹 鋼 中 的 奧 氏 體 相 為 順 磁性,磁性檢測時(shí)表現(xiàn)為弱磁性或者無磁性,而馬氏體相則是 一 種 鐵 磁 相.針 對(duì) 這 一 特 性,目 前 普 遍采用鐵素體測量儀來進(jìn)行形變誘發(fā)馬氏體相變程度的測[１４].采用 MF３００F＋型鐵素體測量儀測馬氏體的含量.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 預(yù)應(yīng)變后不銹鋼的顯微組織及物相組成

由圖２可以看到:未變形不銹鋼的組織為單一的奧氏體組織,晶界清晰,組織均勻;隨著預(yù)應(yīng)變的增加,奧氏體組織中出現(xiàn)了明顯的孿晶、滑移帶和板條狀馬氏體.從圖３中可以看出:未變形的不銹鋼XRD譜中只有單一的奧氏體峰;預(yù)應(yīng)變１０％以后,３０４不銹鋼的 XRD譜中出現(xiàn)了明顯的 α′馬氏體峰;經(jīng)過不同程度的塑性預(yù)變形后,３０４不銹鋼中奧氏體(１１１)、(２００)和(２２０)面的衍射峰強(qiáng)度變化不一致,這與晶粒的擇優(yōu)取向有關(guān).可以看出,在塑性變形過程中,隨著變形量的增加,３０４奧氏體不銹鋼中出現(xiàn)了奧氏體γ向α′馬氏體的轉(zhuǎn)變.

從圖４中可以看出,３０４不銹鋼中α′馬氏體的體積分?jǐn)?shù)隨著塑性預(yù)應(yīng)變的增加而增大,當(dāng)預(yù)應(yīng)變小于１５％時(shí),α′馬氏體的體積分?jǐn)?shù)緩慢增加,預(yù)應(yīng)變?cè)冢保担?~２５％ 時(shí),α′馬 氏 體 的 體 積 分 數(shù) 迅 速 增加.這表明３０４不銹鋼在塑性變形過程中,形變誘導(dǎo)了馬氏體相變,導(dǎo)致產(chǎn)生鐵磁性.

２．２ 滲碳層的形貌及硬度

由圖５可以看出:滲碳后,３０４ 不 銹 鋼 表 面 均形成了一層明顯的滲碳層,滲碳層的厚度均勻,呈亮白色,與心部的奧氏體組織有明顯的區(qū)別;滲碳

層厚度并沒 有 隨 著 預(yù) 應(yīng) 變 的 增 大 而 增 加,滲 碳 層厚度約為２８μm.這表明在馬氏體增多的情況下,碳原子的 擴(kuò) 散 并 沒 有 得 到 明 顯 增 強(qiáng).此 外,滲 碳層中的馬氏體消失,轉(zhuǎn)變?yōu)榱藬U(kuò)張奧氏體(γC),與原有擴(kuò) 張 奧 氏 體 相 并 沒 有 任 何 的 區(qū) 別,這 與 YU等[１５]觀 察 到 的 現(xiàn) 象 一 致.YU 等 做 出 了 如 下 解釋:氮原子是 形 成 奧 氏 體 或 者 擴(kuò) 張 奧 氏 體 必 要 的

穩(wěn)定元素,α′馬氏體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,奧氏體再轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張奧氏 體(γN ).與 氮 原 子 類 似,碳 原 子 也是奧氏體 必 要 的 穩(wěn) 定 元 素.因 此,在 塑 性 變 形 時(shí)誘發(fā)的α′馬氏體由于間隙碳原子的溶解而轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,最 終 轉(zhuǎn) 變 為 擴(kuò) 張 奧 氏 體(γC).為 了 證 實(shí)這一推測,在相同的條件下(４７０ ℃),對(duì)預(yù)應(yīng)變后的３０４奧氏體不銹鋼分別進(jìn)行４０,７０,１５０ min的滲碳處理,試樣的 XRD 譜如圖６所示.由圖６可以看出:滲碳初期由于碳原子的溶解,奧氏體和α′馬氏體的衍 射 峰 強(qiáng) 度 都 降 低;隨 著 滲 碳 時(shí) 間 的 延長,γ的(１１１)峰強(qiáng)度增加,α′的(１１０)峰強(qiáng)度減弱.、從圖７中可以看出,滲碳不銹鋼表層的γC 衍射

峰變寬,且均向小角度方向偏移,這主要是由于碳原子的大量滲入導(dǎo)致表層奧氏體面心立方晶格常數(shù)及晶面間距增大[５].另外,還可以看到 α′(１１０)峰消失,這與滲碳層的形貌一致,滲碳層中的馬氏體轉(zhuǎn)變為擴(kuò)張奧氏體(γC).

由圖８可見,滲碳不銹鋼表面的超飽和奧氏體相表現(xiàn)出了超高的硬度(約為９００HV)和壓縮殘余應(yīng)力(約為－１５００ MPa).亮白色的滲碳層具有高硬度特征,表面硬度的增大可以大幅提高表面的耐磨性能[５].很顯然,滲碳不銹鋼的表面硬度和殘余應(yīng)力與預(yù)變形量的大小無關(guān).這也就是說,預(yù)應(yīng)變３０４不銹鋼經(jīng)低溫氣體滲碳后的強(qiáng)化機(jī)理主要還是間隙碳原子的固溶強(qiáng)化,即碳濃度增加到一定程度時(shí),過飽和固溶于表層奧氏體中的碳原子會(huì)導(dǎo)致晶格畸變,同時(shí)形成大量孿晶、堆垛層錯(cuò)等晶體缺陷,導(dǎo)致位錯(cuò)密度的增加,對(duì)表面起到了冷作硬化的效果.因此,預(yù)應(yīng)變對(duì)３０４奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳的表面強(qiáng)化效果沒有影響.

３ 結(jié) 論

(１)室溫下,經(jīng)塑性拉伸變形后的３０４奧氏體不銹鋼組織中出現(xiàn)了 α′馬氏體;預(yù)應(yīng)變小于 １５％時(shí),鋼中 α′馬氏體的體積分?jǐn)?shù)緩慢增長,預(yù)應(yīng)變超過１５％后,α′馬氏體的體積分?jǐn)?shù)迅速增加.

(２)預(yù)應(yīng)變不會(huì)影響３０４奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳層的厚度,且滲碳層中的馬氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張型奧氏體.

(３)預(yù)應(yīng)變對(duì)３０４奧氏體不銹鋼造成的形變和相變不會(huì)影響低溫氣體滲碳的效果,這說明低溫氣體滲碳表面強(qiáng)化方法可以應(yīng)用到實(shí)際已發(fā)生塑性變形的奧氏體不銹鋼零部件上.

文章來源：材料與測試網(wǎng)