淺析不銹鋼氮化件維氏硬度與滲氮層深度關系

耿延朝，陳煒，邵帥，馮魁，張江楠

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

關鍵字：滲氮；維氏硬度；馬氏體；奧氏體；顯微組織

某些使用設備因其應用的環境特殊性，零部件的材料選用從優質的氮化用鋼38CrMoAl、35CrMoV逐漸向Cr13型馬氏體不銹鋼及Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼發展。但是，在生產過程中發現，采用5公斤力測定氮化硬度時，對于像38CrMoAl、35CrMoV等易氮化用鋼來說，測得的硬度與采用顯微硬度法測得的硬度基本一致，而對于馬氏體不銹鋼及奧氏體不銹鋼來說，測得的硬度與采用顯微硬度法測得的硬度有很大的差異，此時采用5公斤力測得的硬度基本上是其調質時的硬度，而采用顯微硬度法測得的硬度均在涉及要求的范圍內，目前對于維氏硬度載荷的選擇與氮化后的滲層深度的關系的研究比較少。因此，研究維氏硬度載荷的選擇與氮化后的滲層深度的關系具有重要的實際意義。筆者以Cr13型馬氏體不銹鋼和Cr18Ni9型奧氏體為研究對象,分別對材料氮化后的滲層深度與不同維氏硬度載荷進行分析和探討，以期為合理使用維氏硬度載荷提供一定的試驗數據和理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗使用的Cr13型馬氏體不銹鋼和Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼經鍛造成型，其化學成分如表1所示。

表1 不銹鋼的的化學成分 (%)

Cr13型不銹鋼淬火采用RJX45，為高溫箱式電阻加熱爐，工藝為在淬火溫度保溫后并油冷至室溫，淬火溫度為980 oC；回火采用RJJ75-6，為專用回火電阻爐，工藝為將淬火后的試樣在680 oC保溫后并空冷至室溫，然后檢查Cr13型不銹鋼硬度HB 235；Cr18Ni9型不銹鋼固溶處理采用RJX45，工藝為在固溶處理溫度保溫后并水冷至室溫，淬火溫度為1050 oC，然后檢查Cr18Ni9型不銹鋼硬度HB 192。

氮化處理是采用輝光離子氮化。零件需要在400-1000 Pa的真空氣氛中，采用電流控制爐溫，利用工件（陰極）和陽極之間產生輝光放電，通入氨氣電離將氮離子飛濺到工件表面，形成氮化物，得到很高的硬度，氮化溫度為540 oC，具體工藝見圖1所示。然后利用OLYCIAm3金相顯微鏡觀察氮化層的深度，腐蝕劑為馬氏試劑（硫酸銅4g、鹽酸20ml、蒸餾水20ml），并且分別利用顯微硬度法和小負荷維氏硬度計對試件進行硬度分析。

圖2 不銹鋼氮化工藝曲線

2 試驗結果與分析

2.1 不銹鋼氮化后的顯微組織

不銹鋼氮化后的顯微組織見圖3。從圖3中可以明顯的看出氮化層和基體。由圖3 a中可以測量出Cr13型不銹鋼氮化層的厚度0.20 mm，圖3 b中可以測量出Cr18Ni9型不銹鋼氮化層的厚度為0.07 mm。

圖3 不銹鋼氮化后的顯微組織

2.2 不銹鋼氮化后的硬度梯度

分別用載荷為0.2公斤力對Cr13型不銹鋼和Cr18Ni9型不銹鋼進行維氏硬度檢驗，測得滲氮層硬度與滲氮深度的硬度梯度如圖4所示。由圖4可以看出隨著滲氮層深度的增加，滲氮層硬度整體的變化趨勢是下降，而且從圖4中可以看出Cr13型不銹鋼和Cr18Ni9型不銹鋼當滲層深度超過一定的值的時候所得到的滲氮層硬度與基體硬度一致。

圖4 不銹鋼氮化后硬度梯度

對于Cr13型不銹鋼和Cr18Ni9型不銹鋼在不同載荷下進行維氏硬度檢測，測得不同負載下Cr13型不銹鋼和Cr18Ni9型不銹鋼的維氏硬度如圖5所示。HV 800為不銹鋼在氮化后的常用標準的硬度值。

在圖5中可以看出都采用5公斤力的相同載荷來檢測表面硬度，所測得的結果不能真實地反映出氮化處理的質量好壞，根據圖5 a所示，對于Cr13型不銹鋼滲層厚度在≥0.2 mm，采用5公斤力、2公斤力測量維氏硬度比較合適；根據圖5 b所示，對于Cr18Ni9型不銹鋼滲層深度在≤0.1 mm，采用1公斤力、500克力測量維氏硬度比較合適。

3 結論

（1）用載荷為0.2公斤力對氮化后的試件測試維氏硬度，隨著滲氮層深度的增加，滲氮層硬度梯度的變化趨勢是下降。

（2）對于Cr13型不銹鋼滲層厚度在≥0.2mm，采用5公斤力、2公斤力測量維氏硬度比較合適，對于Cr18Ni9型不銹鋼滲層厚度≤0.10mm，采用1公斤力或500克力的小負荷測量維氏硬度比較合適。