浅谈304奥氏体不锈钢离子渗氮

倪杰，董胜敏，马志欣

(大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁 大连 116036)

浅谈304奥氏体不锈钢离子渗氮

Introduction to 304 austenitic stainless steel ion nitriding

倪杰，董胜敏，马志欣

(大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁 大连 116036)

采用直流脉冲等离子体源对304不锈钢试样表面进行离子渗氮改性，通过XRD、SEM及显微硬度计对渗氮前后的不锈钢试样表面进行成分、形貌及硬度分析，应用电化学阻抗谱分析渗氮前后试样表面的耐蚀性能。结果表明：渗氮后，不锈钢试样表面形成了γN相改性层，γN相改性层的平均硬度值为HV0.1N690.1 MPa，比渗氮前的硬度提高了5倍多。与渗氮前相比，渗氮后的容抗弧直径变大，中频区相位角平台显著变宽，说明氮离子注入层使电极反应速率变慢，腐蚀速度减小，耐蚀性增强。

304奥氏体不锈钢；γN相改性层；耐蚀性

奥氏体不锈钢有良好的强度、韧性、耐蚀性及经济性等综合优点，但由于它的硬度低、耐磨性差，在许多情况下无法满足既耐磨又耐蚀的复合性能要求，而使其工作寿命大大降低。采用传统的渗氮工艺可以使奥氏体不锈钢表面形成富氮的化合物层，形成第二相强化，表面硬度及耐磨性均有所提高，但是却大大降低了耐蚀性。

本文选用304奥氏体不锈钢作为研究对象，采用直流脉冲等离子体源[1]对304奥氏体不锈钢试样表面进行离子渗氮改性，通过XRD、SEM及显微硬度计对渗氮前后的不锈钢试样表面成分、形貌及硬度进行分析，应用电化学阻抗谱分析渗氮前后试样表面的耐蚀性能。

1 试验材料及方法

试样材料选用304奥氏体不锈钢，合金成分见表1。对试样进行1 000 ℃-1h水冷固溶处理，试样尺寸为Φ25 mm×6 mm，依次用金相砂纸打磨并用人造金刚石抛光膏抛光处理，然后用丙酮、去离子水擦拭试样，除去表面油污后吹干。

将吹干后的试样放置到直流脉冲等离子体源渗氮炉内阴极工作台上，装炉完毕后启动真空泵抽至极限真空后，保持真空系统持续工作，尽量减少真空室内残留空气,避免对实验造成影响，达到实验真空度要求后，缓慢通入氨气，调整气流量，气压升高至50～80 Pa时施压高压使设备进行辉光放电，同时启动降温冷却系统。炉内试样温度升至设定温度后，持续保持气流量不变，进入保温阶段。渗氮结束后，关闭高压电源，继续通入氨气，使试样在该稳定气氛的保护作用下随炉冷却至200 ℃时停止通入氨气，关闭真空泵电源。待降至室温后取出试样。渗氮工艺参数见表2。实验用渗氮气氛为高纯氨气。

表1 304不锈钢的化学成分

表2 渗氮工艺参数

2 结果和分析

2.1 改性层的组织结构

渗氮前后试样的X射线衍射（XRD）谱如图1所示。从图1（a）中可以看出，原始奥氏体不锈钢主要由基体γ相组成；从图1（b）可看出，渗氮后的试样在奥氏体基体（γ）的衍射峰低角处有一个伴峰（γN[2]），即表现出一系列位于奥氏体基体（γ）衍射峰低2θ角度一侧较宽的衍射峰（γN）。

图1 渗氮前后304不锈钢的XRD谱

2.2 γN相改性层的表面形貌及成分

渗氮后试样的表面形貌及EDS能谱分析如图2所示。从图2（a）中可以看出，渗氮后表面形貌有明显浮凸特征；从图2（b）中可以看出，渗氮后氮的原子百分比为14.51%，重量百分比为4.08%，充分地说明了改性层氮元素的存在，这与前面X射线衍射图谱的结果形成很好的对应。进一步说明渗氮后在不锈钢试样表面形成了γN相改性层。

2.3 γN相改性层的硬度

通过显微硬度计检测渗氮前后试样的硬度，结果表明渗氮前试样的显微硬度值较低，平均只有HV0.1N117.3 MPa，渗氮处理后，平均硬度达HV0.1N690.1MPa，可见硬度值提高了五倍多。这是因为不锈钢表面形成的改性层为高氮面心亚稳相γN，是一种氮过饱和的奥氏体。其中固溶氮原子位于面心立方奥氏体的八面体间隙点阵位置，并且氮在奥氏体基体中具有较高的固溶度，由于氮对基体的强化作用，使得表面改性层硬度显著提高。

图2 渗氮后304不锈钢表面形貌及EDS能谱分析图

2.4 渗氮前后304不锈钢的交流阻抗

图3为渗氮前后304不锈钢试样的EIS图，从图3（a）中可以看出，EIS容抗弧直径存在明显差异，改性后容抗弧直径明显变大，说明电极反应过程的阻力变大，腐蚀速率减小，耐蚀性增强；从图3（b）中可以看出，改性层的中频区相位角平台显著变宽，说明改性层钝化膜更加均匀致密，致密性变好，有效阻碍了电极反应，腐蚀速度随之变小，耐蚀性增强[3]。

3 结论

（1）渗氮后奥氏体基体（γ）的衍射峰低角处形成了一个伴峰（γN）。

图3 渗氮前后304不锈钢的EIS图

（2）表面形貌和EDS能谱分析说明渗氮后在试样表面形成了γN相改性层。

（3）渗氮后试样表面形成的γN相改性层使其硬度显著提高，从而可以提高其耐磨性。

（4）渗氮后改性层的容抗弧直径明显更大，中频区相位角平台显著变宽，电极反应速率减慢，腐蚀速度减小，说明耐蚀性能得以增强。

（5）采用直流脉冲等离子体源对试样进行渗氮处理后可以同时满足其耐磨与耐蚀的复合性能要求。

[1] 雷明凯,李有宏,张仲麟,黄岩.等离子体源离子渗氮1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢磨损性能的试验研究[J].摩擦学学报,1997，03:206～213 .

[2] 陈秋龙,蔡亦炜,彭辉,杨安静.奥氏体不锈钢氮离子注入层的研究[J].上海交通大学学报,1995,03.

[3] 雷明凯.奥氏体不锈钢表面改性层耐蚀性实验研究[J].金属学报，1999,10.

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