马氏体不锈钢真空固溶渗氮处理有前景

  钢表面氮原子的固溶可在不损失耐腐蚀性能的情况下提高钢的硬度、承载能力和疲劳强度。在氮溶解度高的Ac温度以上奥氏体范围，利用真空炉对马氏体不锈钢进行了固溶渗氮处理。由于处理是在高温下进行的，所以可采用双原子氮作为渗氮源，原因是在1050℃或1050℃以上的温度双原子氮会产生明显的离解。炉气气氛中氮的温度和分压对特定合金内氮的溶解度和使氮保持在固溶态的能力有直接的影响。

 为了使氮保持在固溶状态，防止以氮化物形态析出，就需要从渗氮温度直接进行快速冷却。采用后氮化低温冷却和低温回火，给予钢高的表面硬度，从而降低高表面硬化区到芯部的硬度不均匀性。

 在三种不同的压力和温度下对四种马氏体不锈钢——410、420、422和440C——进行了固溶渗氮处理。利用Sievert律预测了压力对氮溶解度的影响。

一、试验详情

 试样为圆柱形，直径0.5英寸，长度0.75英寸。每种合金制备了三个试样：试样经过喷砂，利用酒精进行了清洗，放入一个安装有负载/工作热电偶的铜线篮子中。在加热前，利用真空泵将炉子降至10毛（1毛=1.3158×10大气压）的真空范围，然后在真空中加热至设定的预热温度。在高真空中加热使不锈钢表面的钝化氧化铬膜去钝化，使钢表面活化进行固溶渗氮处理。

 在达到预热温度后，导入约2毛的氮分压气体来抵制合金蒸发，随后继续加热。在渗氮温度，氮分压增加到表1所示的试验压力。温度和氮气压力保持12小时，紧接着在原位以10巴（1巴=0.9869大气压）的氮气进行急冷。取出试样，两个小时内在-73℃进行深冷处理，然后在177℃进行空气回火。

 将试验棒进行切片，检测氮含量、显微硬度和金相组织。利用直读原子发射光谱仪进行表面氮含量检测。利用载荷为500g的维氏硬度压头检测显微硬度。利用全自动试验机进行横断面组织检测，在利用Vilella试剂进行侵蚀后，放大50~1000倍检查了显微组织。

二、试验结果

 虽然没有达到图所示的按照Sievert律计算所预测的程度，但表1和2所示为410、420和422钢在三种不同渗氮温度下的表面氮含量和硬度值是随压力的增加而增加的。在处理后保持全马氏体组织时，表面硬度值随压力而增加。就410和420而论，测得的表面氮含量比芯部氮含量高出7~8倍。随着温度的增加，保持恒定压力，表面氮含量降低。从热动力学角度，按照下述方程式，考虑合金化元素对氮溶解度的影响。由于△H。对铬基合金产生不利影响，所以预计在恒定压力条件下，随着温度升高，氮的溶解度降低。表面渗氮和脱氮之间的竞争表明，在渗氮温度较高时，氮的分压与合金浓度的增加面出现不平衡。

 422不锈钢的结果表明，在2050F以上，随着渗氮压力增加，表面氮含量明显降低。然而，通过固溶渗氮处理，可使表面氮含量显著增加一个数量级或高于芯部氮含量。在2000和2050°F的温度下，表面氮含量可高达0.35w/o。

 在440不锈钢的情况下，横断面硬度与研究的其他合金显著不同。表面硬度最低，越往芯部，硬度越高。而且，表面硬度还随表面氮含量的增加而降低，见表所示。Cr+Ni含量越高，马氏体开始形成温度（Ms）越低，使淬火后的残余奥氏体更多。440C的铬当量约为17，而其他合金的铬当量约为12~13，大家知道，氮是大家熟知的奥氏体稳定化元素。于是，表面氮含量的增加会导致残余奥氏体增多，表面硬度降低。

 使用-184℃渗氮后深冷处理来代替-73℃的处理，使残余奥氏体转变为马氏体，可显著地增加高压/高温渗氮周期所造成的硬度。

 为了更好地理解时间和压力对固溶渗氮的影响，在630毛和975毛的真空中对410试样进行了1小时的试验。图3的结果表明所有试样的表面硬度相近，这说明，由于连续的离解和重新结合，有大量的新生氮产生，表面氮含量迅速增加。因此延长渗氮时间仅使硬化深度增加。

三、表面氮含量增加使表面硬度增加

 真空炉内固溶渗氮的结果表明，由于金属表面对氮气的裂解、吸附或重新结合，紧接着进一步的裂解起到催化作用，为表面提供了大量的新生氮源，所以表面氮含量迅速增加。所试验的四种合金的表面氮含量都明显增加，这样通过固溶渗氮处理，表面硬度增加。在表面氮含量范围为0.13%~0.35%时，表面硬度范围为55~62HRC。

 为了防止氮化物析出，所研究的四种合金均采用10巴（1巴=0.9869大气压）的氮气进行淬火，使渗氮合金迅速通过1470F（800℃）至930F（500℃）的临界范围。

 当所试验合金的表面氮含量约为0.49%时，采用10巴氮气淬火就可产生人们所希望的组织。以440C合金为例，其表面氮含量最大约为0.77%时，结果表明由于有残余奥氏体存在，表面硬度低。进一步在-300F（-184℃）进行后低温处理，而不是按原试验程序在-100F（-73℃）进行低温处理，将残余奥氏体转变为马氏体，硬度从35HRC增加到62HRC。

 氮的浓度随温度的升高而降低。随着压力的降低，氮气渗入部件的凹处和孔穴增加，这是因为氮气的平均自由路径增加。基于我们的试验结果和氮在1922F以上的温度裂解，合金的固溶渗氮处理最好在2012F（1100℃）的温度、150的真空炉中进行。渗氮处理时间取决于所要求的表面硬度，可根据Fick定律计算。

 当在真空炉内进行高压氮气淬火时，对马氏体不锈钢进行固溶渗氮处理是一种有效且经济的表面硬化工艺。这是因为这种工艺在高温渗氮时使用的氮气分压较低，扩散系数高和处理时间相对短。