不銹鋼表面滲氮層組織研究

杜佳瑋 孔令浩 田 野 李方亮 趙海濤

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

鋼的表面處理方法類別有很多種，其主要目的是增強鋼表面的美觀程度或者增強其硬度等物理性質[1-3]。本文以304奧氏體不銹鋼為基體，采用氣相擴滲的方法將氮滲入鋼中，利用SEM、EDS、EBSD及維氏硬度計對滲氮后的不銹鋼試樣表面成分、形貌及硬度進行分析。

1 實驗材料及方法

本實驗以304不銹鋼為基體，其尺寸規格為5mm×5mm×5mm。使用坩堝式電阻爐，利用氣相擴滲法將氨水在高溫下得到的N元素擴滲入304不銹鋼表面。分別于560、610和660°C溫度下進行時間為2h，4h和6h滲氮處理。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、電子背散射衍射(EBSD)和HVS-A50數顯維氏硬度計，研究其滲氮層表面微觀形貌和表面硬度。

2 結果與討論

2.1 滲碳層成分分析

圖1a為不銹鋼560℃滲氮6h的試樣截面顯微組織掃描電鏡照片。由圖可見，經過氣相擴滲工藝處理后在不銹鋼表面形成了厚度約為10μm滲氮層。利用EDS進行點分析(圖1b)來確認試樣表面滲氮層的元素含量達到10.72wt%，說明氮元素已經滲入不銹鋼表層。

圖1 (a)試樣截面掃描電鏡照片；(b)EDS點分析譜

2.2 EBSD分析

圖2a為560℃滲氮6h不銹鋼試樣截面的BC圖。由圖可見，不銹鋼基體由奧氏體晶粒組成，晶粒大小不均勻，晶粒尺寸范圍15μm～60μm。不銹鋼表面滲氮層晶粒較細小。圖2b為560℃滲氮6h不銹鋼試樣截面的反極圖(IPF圖)。圖中不同顏色代表不同的晶體取向，其中綠色代表<101>取向，藍色代表<111>取向，紅色代表<001>取向。由圖可見，樣品中晶粒取向隨機，存在少量小角晶界，以大角晶界為主。

圖2 試樣截面BC圖(a)和IPF圖(b)

2.3 硬度分析

在不同滲氮時間和滲氮溫度的試樣上取5個點，使用HVS-50數顯維氏硬度計，進行硬度測量，并對測量結果進行了統計，如表1所示。由表可知，當材料材質、擴滲溫度及擴滲氣體氛圍均相同時，擴滲時間越長，試樣的表面硬度有所提升；當材料材質、擴滲時間及擴滲氣體氛圍均相同時，擴滲溫度越高，試樣的表面硬度明顯提升。在660℃滲氮4h后不銹鋼表面的硬度可達313.86HV。

表1 維氏硬度測量統計表(HV)

3 結論

經過滲氮后在樣品表面形成了一層致密的滲氮層，厚度約為10μm。不銹鋼表面滲氮層中氮含量達10.72wt%，說明氮元素已經滲入不銹鋼表層。不銹鋼基體由奧氏體晶粒組成，晶粒大小不均勻，晶粒尺寸范圍15μm～60μm。不銹鋼表面滲氮層晶粒較細小。樣品中晶粒取向隨機，存在少量小角晶界，以大角晶界為主。滲氮過程中，擴滲時間越長，擴滲溫度越高，試樣的表面硬度明顯提升。在660℃滲氮4h后不銹鋼表面的硬度可達313.86HV。