T250鋼離子滲氮后的組織和性能

周鐘平，張小娟，白 鷺，余方印，閔永安

(1.上海航天動力技術研究所，上海 201109；2.上海大學 材料科學與工程學院，上海 200444)

馬氏體時效鋼是利用固溶后的時效處理，使金屬間化合物在超低碳的高鎳馬氏體中彌散析出而強化的一類高合金超高強度鋼。由于具有高強度、高斷裂韌性、熱處理工藝簡單、可焊性和冷、熱加工性能良好等優點，馬氏體時效鋼廣泛應用于航空、航天和精密模具等領域。T250鋼是一種無鈷馬氏體時效鋼，由于不含鈷而使材料成本降低，其性能與含鈷的C250馬氏體時效鋼相當(Rp0.2≥1725 MPa)[1-2]。馬氏體時效鋼由于含有大量Ni、Cr、Mo、V等合金元素，滲氮過程比較困難。在低溫下滲氮獲得的滲氮層較淺，而提高滲氮溫度又會產生過時效，降低基體性能。因此，馬氏體時效不銹鋼滲氮的最大的問題是在相對較低的溫度范圍實現相當深度的滲氮[3]。本文通過研究T250鋼的離子滲氮工藝，實現離子滲氮與時效工藝的結合，從而獲得高表面硬度和高基體強度的零件。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為T250鋼，其化學成分如表1所示。

表1 T250鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

用箱式電阻爐對原材料先進行固溶處理，固溶工藝為820 ℃×1 h，空冷。固溶后試樣硬度為31～32 HRC。固溶處理后機加工成滲氮試樣。

1.2.1 離子滲氮試驗

影響離子滲氮質量的主要參數有滲氮溫度、滲氮時間、氨氣流量、爐氣氣壓、電壓等，其中滲氮溫度和滲氮時間的影響最為顯著。本試驗以滲氮的時間和溫度為主要參數開展了相關研究。滲氮試驗使用某研究所研制的LDMC-75F-40R脈沖電源輝光離子氮化爐。相關試驗參數見表2。

表2 T250鋼離子滲氮參數

1.2.2 金相試驗

T250鋼滲氮層的顯微組織采用Nikon LV150型正立式光學顯微鏡觀察。按照GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》對滲氮層進行顯微組織評定，并從表面測至與基體有明顯界限為止，作為滲氮層總深度。

1.2.3 顯微硬度測試

采用MH-3型顯微硬度計，按照GB/T 11354—2005對T250鋼的滲氮層進行維氏硬度測試，并得出滲氮層深度。

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用維氏硬度計從試樣表面測至比基體維氏硬度高50 HV0.3處的垂直距離為滲氮層深度，載荷砝碼300 g。根據測試得到的硬度值繪制出硬度梯度曲線，以觀察硬度分布情況。

1.2.4 物相測定

采用D/MAX-2550型X射線衍射儀分別對固溶態、滲氮后基體、滲氮化合物層、滲氮擴散層進行物相分析。試驗采用CuKα(λCuKα=1.5406 ?)X射線入射，管電壓為40 kV，管電流為100 mA。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1 滲氮時間對滲氮層組織的影響

520 ℃離子滲氮6、12、24 h后T250馬氏體時效鋼橫截面的顯微組織如圖1所示。T250鋼的微觀組織是典型的板條狀馬氏體，由圖1可知，離子滲氮后的基體仍由板條狀馬氏體組成，氮原子主要以間隙原子的形式進入馬氏體基體。T250鋼離子滲氮后橫截面的顯微組織由均勻致密連續的白亮化合物層、灰黑色的擴散層和基體3部分組成，且三者間的分界線十分明顯。化合物層的耐腐蝕性較強，呈白亮狀；擴散層中氮化物析出，使氮化物與基體的相界面更易腐蝕，在顯微組織中顯示出較深顏色。

圖1 520 ℃離子滲氮不同時間后T250鋼橫截面的顯微組織

從截面顯微組織可以看出，T250馬氏體時效鋼滲氮后化合物層厚度大(大于20 μm)，擴散層中基本不存在脈狀氮化物組織，且擴散層與基體的分界線十分明顯。

按照GB/T 11354—2005對T250鋼的滲氮層進行顯微組織評定，得出滲氮層深度。滲氮時間為6 h時，化合物層深度約22.7 μm，擴散層深度約112.1 μm；滲氮時間為12 h時，化合物層深度約25.8 μm，擴散層深度約145.4 μm；滲氮時間為24 h時，化合物層深度約36.4 μm，擴散層深度約181.8 μm。隨著離子滲氮時間的延長，T250鋼的表面化合物層深度和擴散層深度均逐漸增加，這是由于表面向擴散層擴散的氮原子大于擴散層向基體擴散的量，因此離子滲氮時間越長，擴散進入鋼內部的氮原子數越多，化合物層和擴散層就越厚。但化合物層深度和擴散層深度并不會隨著滲氮時間的延長而無限增加，隨著滲氮時間的延長，氮在基體中的濃度會逐漸飽和，滲速變緩，同時由于氮與合金元素形成的氮化物相的粗化以及在晶界的偏聚，阻礙了氮元素的進一步滲入。

滲氮溫度是滲氮中極為重要的工藝參數。溫度的高低影響著滲氮速度、滲氮層深度、表面硬度等。氨的分解率隨溫度的升高而增大，所以滲氮溫度越高，氨分解出的活性氮原子就越多，滲氮層深度隨之增加。但當溫度升高到一定程度后，氮原子擴散非常快，化合物層出現減薄的現象。

T250鋼的時效峰值溫度在480 ℃左右。在不同溫度下(480、500、550 ℃)離子滲氮30 h后試樣橫截面的顯微組織如圖2所示。可以看出，當溫度由480 ℃升高到500 ℃時，化合物層深度和擴散層深度均略有升高，而當溫度升高至550 ℃時，化合物層深度明顯降低，總滲氮層深度明顯升高。

圖2 不同溫度離子滲氮30 h后T250鋼橫截面的顯微組織

對滲氮層進行深度評定：滲氮溫度為480 ℃時，表面化合物層深度約41.3 μm，擴散層深度約161.2 μm；滲氮溫度為500 ℃時，化合物層深度約44.0 μm，擴散層深度約166.0 μm；滲氮溫度為550 ℃時，化合物層深度約22.5 μm，擴散層深度約282.5 μm。

通過金相法測得滲氮層深度見表3。

表3 金相法測試得到的T250鋼的滲氮層深度

2.2 XRD物相分析

2.2.1 固溶態試樣和滲氮試樣基體的物相分析

T250鋼固溶態試樣表面的X射線衍射圖譜是從樣品表面測得，如圖3(a)所示；520 ℃離子滲氮12 h后試樣基體的X射線衍射譜是從樣品橫截面基體部分測得，如圖3(b)所示。由圖3(a)可知，T250鋼固溶態試樣圖譜中觀察到了鐵的衍射峰，此外，T250鋼經固溶處理后基體中Ni、Ti的含量相對較高，且Al可在T250鋼中產生硬化，故基體中有Ni3(Al,Ti)相。由圖3(b)可知，T250鋼試樣經520 ℃離子滲氮(時效)12 h后基體圖譜中除了顯示出馬氏體和Ni3(Al,Ti)的衍射峰外，還有Ni3Ti、Al3Ti相的存在。

圖3 T250鋼固溶態表面(a)和520 ℃離子滲氮12 h后基體(b)的XRD圖譜

由上述物相分析可知，固溶態T250鋼基體主要由板條馬氏體組成，并有少量Ni3(Al,Ti)第二相；而經過離子滲氮(時效)后，T250鋼基體中除了馬氏體相和Ni3(Al,Ti)相外，還有Ni3Ti、Al3Ti相。離子滲氮后馬氏體基體相衍射強度急劇減弱。這是由于經過12 h滲氮時效后，基體中Ni3(Al,Ti)、Ni3Ti、Al3Ti相大量析出，干擾了馬氏體相的衍射。Ni3(Al,Ti)相是T250馬氏體時效鋼的主要強化相。

2.2.2 滲氮試樣的化合物層與擴散層物相分析

滲氮試樣表面化合物層的X射線衍射圖譜是從表面測得，如圖4(a)所示。擴散層的X射線衍射譜是從樣品橫截面測得，如圖4(b)所示。由圖4(a)可知，520 ℃離子滲氮12 h后T250馬氏體時效鋼的化合物層圖譜中顯示出Fe3N、Fe4N的衍射峰。由圖4(b)可知，520 ℃離子滲氮12 h后T250馬氏體時效鋼的擴散層中除了彌散分布著少量Fe3N、大量Fe4N外，還有Ni3(Al,Ti)相的存在。

圖4 520 ℃離子滲氮12 h后T250鋼中化合物層(a)和擴散層(b)的XRD圖譜

由圖4可知，經過520 ℃離子滲氮12 h后試樣化合物層和擴散層圖譜中均顯示出Fe3N、Fe4N的衍射峰，且Fe4N的衍射峰強度均大于Fe3N衍射峰的強度。因此，在離子滲氮中形成的表面氮化物硬化層是Fe3N和Fe4N相。化合物層中Fe3N、Fe4N兩相的衍射強度大于擴散層中Fe3N、Fe4N兩相的衍射強度，這是由于離子滲氮過程中，氮原子沿試樣表面從滲氮介質向內部滲入，氮在試樣表面與心部之間就會形成濃度差，從而促使氮原子不斷從表面向心部擴散。

2.3 顯微硬度

T250鋼在520 ℃離子滲氮6、12、24 h后橫截面從表面到基體的顯微硬度梯度如圖5所示。T250鋼520 ℃離子滲氮12 h與6 h相比，試樣的表面硬度有所提高。離子滲氮24 h與6 h相比，試樣的表面硬度略有提高，而與離子滲氮12 h相比，試樣的表面硬度卻降低了。3種不同滲氮時間下，離子滲氮24 h后試樣的基體硬度最低。通過對比520 ℃不同時間離子滲氮試樣的滲氮層光學顯微組織(見圖1)，可以發現隨著離子滲氮時間的延長，材料內部的析出相長大、間距變大。滲氮24 h后可以看到比較明顯的析出相，基體組織發生過時效，導致試樣的硬度降低。

圖5 520 ℃離子滲氮不同時間后T250鋼橫截面的顯微硬度梯度

根據硬度梯度法從試樣表面測至比基體維氏硬度高50 HV0.3處的垂直距離為滲氮層深度。T250鋼在520 ℃離子滲氮不同時間的滲氮層深度見表4。

表4 硬度法測試得到的T250鋼的滲氮層深度

3 結論

1)T250鋼滲氮后具有化合物層厚、擴散層無脈狀氮化物組織、擴散層與基體邊界明顯的特性。

2)T250鋼采用520 ℃×12 h(氨氣流量200 mL/min)的滲氮工藝滲氮后，金相法檢測滲氮層深度約為171.2 μm；硬度法檢測表面硬度超過1000 HV0.3，滲氮層深度約為180.8 μm。