離子滲氮對304不銹鋼組織和性能的影響

牛 毅， 賀占胥， 王明利， 張 杰,， 牛文朋， 劉貫軍

(1. 河南科技學院 高等職業技術學院， 河南 新鄉 453600；2. 新鄉市高服機械股份有限公司， 河南 新鄉 453700；3. 河南科技學院 機電學院， 河南 新鄉 453003)

旋振篩機在各行業物料篩分中有廣泛應用。在化工、食品和醫藥等行業，由于人們對原料(如鋰能電池的正、負極材料)的純潔度要求較高，在篩分過程中，自然對物料所接觸到的篩機零部件的耐磨性和耐蝕性提出了更高的要求。目前，旋振篩機相關零部件材質多為304和316L不銹鋼，這對于普通物料來說已經夠用，但對于如鋰能電池的正、負極材料來說，為了減少磨屑和反應生成物的混入，提高電池材料純凈度，希望篩機相關零部件有更高的耐磨性和耐腐蝕性。

離子滲氮是一種很有效的表面強化手段，它通過滲入零件表層中的氮原子與合金材料中的某些原子結合形成硬度或強度很高的強化相從而使零件獲得很高的耐磨性[1-5]。近年來，人們對不銹鋼材料的離子滲氮處理也進行了不同程度的研究[6-14]，潘向南等[6]研究了表面納米化對304不銹鋼滲氮的影響，結果表明，表面納米化既可以提高滲氮效率，又可以提高材料的硬度和耐磨性。吳夢澤、王亮和蘭曄峰等[9,12-13]進行了低溫離子滲氮對不銹鋼硬度和耐磨性的研究，發現當滲氮溫度低于450 ℃時，滲層組織中不會或很少有CrN形成，這樣雖然降低了滲氮層的硬度，但卻使其強度和韌性有了較大提高。吳夢澤等[7,9]還研究了不同氮氫比和低壓狀態等工藝條件對不銹鋼滲層性能的影響，研究顯示，氮氫比越大，離子滲氮時滲層的深度越大，滲層硬度也越大。

本文主要針對使用旋振篩機篩分鋰能電池的正、負極材料時，如何提高篩機上的304不銹鋼網架和篩網邊框使用壽命的問題進行了研究。鑒于負極材料(石墨)屬于化學中性，正極材料(如LiFePO4、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.5Mn1.5O4等)多數為化學堿性的情況[15-18]，本文采用相對較高的滲氮溫度(520 ℃)，對304不銹鋼試樣進行了離子滲氮處理，并對滲氮層的性能進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

研究所用試塊材料與旋振篩上之網架和篩網邊框所用材料完全一樣，均為304不銹鋼薄板，其化學成分見表1。試塊尺寸為40 mm×25 mm×2 mm。

表1 304不銹鋼試塊的化學成分(質量分數, %)

1.2 試驗方法

離子滲氮所用爐子為LDMC-30F型脈沖真空輝光離子氮化爐。滲氮溫度為520 ℃，爐壓為200 Pa，氨氣流量300 mL/min，滲氮時間分別為12、24、36和48 h。

滲氮結束后，首先用LEICA DMi8 M型光學顯微鏡和VMH-002V型顯微硬度計對試塊滲氮層截面進行觀察和硬度測試(載荷砝碼依情況分別用50 g和300 g，加載時間為15 s)，用MS-T3000型摩擦磨損試驗機對滲氮前后試樣的摩擦磨損性能進行測試對比，用D8 Advance型X射線衍射儀進行滲氮層物相分析，用CHI660e型電化學工作站對滲氮前后試樣進行了電化學分析(飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極，工作電極尺寸為10 mm×10 mm)。

2 結果與分析

2.1 離子滲氮對滲氮層深度的影響

圖1為304不銹鋼滲氮層的深度隨時間的變化關系。從圖1可以看出，雖然滲氮層深度隨滲氮時間的增加而增加，但二者并非線性關系，滲氮層深度的增加速度會隨著滲氮時間的延長而逐漸變慢。這是因為304不銹鋼中Cr和Ni的含量比較高，對N原子的擴散阻力比較大，而且深度越大，由于N原子的密度越小，其總體擴散動能就越小，只有當N原子密度增大到一定程度后才能向前推進。二者綜合作用不僅導致N原子的擴散速度越來越慢，還使擴散層變得很薄，甚至在顯微鏡下都難以觀測。

圖1 304不銹鋼滲氮層深度與滲氮時間的關系

圖2為滲氮層在光學顯微鏡下的結構形貌，顯然，與其它滲氮鋼如38CrMoAl鋼[19-20]的擴散層硬度由外及里明顯逐漸減小相比，304不銹鋼不管滲氮時間多長，均看不出明顯的擴散層。

圖2 304不銹鋼滲氮不同時間后的滲氮層結構

2.2 離子滲氮對滲氮層硬度的影響

圖3為304不銹鋼經過48 h滲氮后的滲層截面硬度情況(載荷砝碼為50 g)。圖3顯示，在整個滲氮層截面深度方向，滲層硬度由外及里有逐漸減小的趨勢，但基本沒有明顯變化。

圖3 304不銹鋼48 h滲氮后的滲氮層形貌(a)和滲氮層截面硬度變化(b)

圖4為304不銹鋼試樣分別經過不同時間滲氮處理后滲層30 μm深度處的硬度。從圖4可以看出，其硬度變化區間為1130～1200 HV0.3，差別不大，這說明304不銹鋼滲氮層的硬度與滲氮時間關系不大。但與未滲氮的304不銹鋼基體材料相比，滲氮層硬度提高了5～6倍。這說明硬度的提高主要與滲氮層的組織有關。

圖4 304不銹鋼經過不同時間滲氮處理后滲層30 μm處的硬度

圖5為經過不同時間滲氮處理后304不銹鋼試樣滲氮層的X射線衍射圖譜。其中，未經滲氮處理的304不銹鋼試樣圖譜顯示組織中只有奧氏體和鐵素體兩種相。分別經過12～48 h的滲氮處理后，由圖5可知，滲氮層的組織是一樣的。試驗條件下這4種滲氮層中塑性好但硬度低的奧氏體和鐵素體消失，代之以具有很高強度的Fe4N固溶體和具有很高硬度和耐磨性的CrN陶瓷相。這是304不銹鋼經過滲氮處理后硬度增大、耐磨性提高的根本原因。

圖5 304不銹鋼滲氮處理不同時間后的XRD圖譜

2.3 離子滲氮對滲氮層耐磨性的影響

為了研究304不銹鋼離子滲氮后的耐磨性，本文在MS-T3000型摩擦磨損試驗機上對經過48 h滲氮處理后304不銹鋼滲氮層與未經滲氮處理的304不銹鋼試樣的摩擦磨損性能進行了對比試驗。試驗所用對磨件為φ4 mm的高純氧化鋁球，摩擦載荷為500 g，滑動速度為5 m/min，摩擦時間為120 min。圖6為二者的摩擦因數對比，可以看出，滲氮層的摩擦因數明顯高于304不銹鋼基體材料。但從磨損率來看，滲氮層的磨損率遠低于304不銹鋼基體材料，如表2所示，滲氮層的相對耐磨性為304不銹鋼基體材料的24.5倍。這說明，304不銹鋼材料經過滲氮處理后的耐磨性大大提高。

圖6 304不銹鋼試塊滲氮前后的摩擦因數

表2 304不銹鋼及其滲氮層的摩擦磨損性能對比

2.4 離子滲氮對滲氮層耐蝕性的影響

為了檢驗304不銹鋼經過離子滲氮后的耐鹽堿腐蝕性能，本文分別對試樣進行了電化學分析。圖7為304不銹鋼滲氮前后的試樣在3%NaCl溶液中的極化曲線。從圖7可以看出，304不銹鋼試樣滲氮前的自腐蝕電位為-0.522 92 V(vs SCE,下同)，經36 h和48 h滲氮后滲氮層的自腐蝕電位分別為-0.891 22和-0.7471 V。顯然，滲氮試樣的耐鹽蝕性較差，這主要與形成CrN有關，CrN的形成使奧氏體基體中Cr的含量減少從而導致試樣耐鹽蝕性能變差[7-9]。盡管這樣，48 h滲氮層的耐鹽蝕性還是比36 h的要好，這主要是因為前者的滲氮層深度比后者的大，對奧氏體基體的保護作用大。

圖7 304不銹鋼滲氮前后在3%NaCl溶液中的極化曲線

圖8為304不銹鋼滲氮前后試樣在5%NaOH溶液中的極化曲線。304不銹鋼試樣滲氮前、后的自腐蝕電位分別為-0.923 45和-0.486 66 V。這說明304不銹鋼經滲氮處理后，在堿性環境中更耐腐蝕。

圖8 304不銹鋼滲氮前后在5%NaOH溶液中的極化曲線

3 結論

1) 304不銹鋼經過離子滲氮處理后，其滲氮層組織由具有更高強度的Fe4N和具有更高硬度的CrN組織組成。

2) 304不銹鋼經過離子滲氮處理后，滲層30 μm深度處的硬度比未經滲氮的304不銹鋼提高了5～6倍。

3) 304不銹鋼經48 h滲氮處理后，其相對耐磨性為未經處理的24.5倍。

4) 304不銹鋼經滲氮處理后，其耐鹽蝕性能降低，耐堿蝕性能提高。