不锈钢表面渗氮层组织研究

杜佳玮 孔令浩 田 野 李方亮 赵海涛

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

钢的表面处理方法类别有很多种，其主要目的是增强钢表面的美观程度或者增强其硬度等物理性质[1-3]。本文以304奥氏体不锈钢为基体，采用气相扩渗的方法将氮渗入钢中，利用SEM、EDS、EBSD及维氏硬度计对渗氮后的不锈钢试样表面成分、形貌及硬度进行分析。

1 实验材料及方法

本实验以304不锈钢为基体，其尺寸规格为5mm×5mm×5mm。使用坩埚式电阻炉，利用气相扩渗法将氨水在高温下得到的N元素扩渗入304不锈钢表面。分别于560、610和660°C温度下进行时间为2h，4h和6h渗氮处理。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)和HVS-A50数显维氏硬度计，研究其渗氮层表面微观形貌和表面硬度。

2 结果与讨论

2.1 渗碳层成分分析

图1a为不锈钢560℃渗氮6h的试样截面显微组织扫描电镜照片。由图可见，经过气相扩渗工艺处理后在不锈钢表面形成了厚度约为10μm渗氮层。利用EDS进行点分析(图1b)来确认试样表面渗氮层的元素含量达到10.72wt%，说明氮元素已经渗入不锈钢表层。

图1 (a)试样截面扫描电镜照片；(b)EDS点分析谱

2.2 EBSD分析

图2a为560℃渗氮6h不锈钢试样截面的BC图。由图可见，不锈钢基体由奥氏体晶粒组成，晶粒大小不均匀，晶粒尺寸范围15μm～60μm。不锈钢表面渗氮层晶粒较细小。图2b为560℃渗氮6h不锈钢试样截面的反极图(IPF图)。图中不同颜色代表不同的晶体取向，其中绿色代表<101>取向，蓝色代表<111>取向，红色代表<001>取向。由图可见，样品中晶粒取向随机，存在少量小角晶界，以大角晶界为主。

图2 试样截面BC图(a)和IPF图(b)

2.3 硬度分析

在不同渗氮时间和渗氮温度的试样上取5个点，使用HVS-50数显维氏硬度计，进行硬度测量，并对测量结果进行了统计，如表1所示。由表可知，当材料材质、扩渗温度及扩渗气体氛围均相同时，扩渗时间越长，试样的表面硬度有所提升；当材料材质、扩渗时间及扩渗气体氛围均相同时，扩渗温度越高，试样的表面硬度明显提升。在660℃渗氮4h后不锈钢表面的硬度可达313.86HV。

表1 维氏硬度测量统计表(HV)

3 结论

经过渗氮后在样品表面形成了一层致密的渗氮层，厚度约为10μm。不锈钢表面渗氮层中氮含量达10.72wt%，说明氮元素已经渗入不锈钢表层。不锈钢基体由奥氏体晶粒组成，晶粒大小不均匀，晶粒尺寸范围15μm～60μm。不锈钢表面渗氮层晶粒较细小。样品中晶粒取向随机，存在少量小角晶界，以大角晶界为主。渗氮过程中，扩渗时间越长，扩渗温度越高，试样的表面硬度明显提升。在660℃渗氮4h后不锈钢表面的硬度可达313.86HV。