氣體流量對氮化316L不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

氣體流量對氮化316L不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響滕越淳B媛媛;徐晗升;朱紫薇;劉波;黃振;楊永杰;劉磊【摘要】低溫等離子體氮化技術(shù)能顯著提高奧氏體不銹鋼的機(jī)械性能，氮化過程中氣壓對強(qiáng)化效果的影響尤為顯著.本文實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)饬髁繉Φ蜏氐入x子體氮化奧氏體不銹鋼相組成、形貌、元素分布、硬度及耐磨性的影響.結(jié)果表明:低溫等離子體氮化處理能夠在不銹鋼表面形成具有強(qiáng)化作用的氮化層，該氮化層由擴(kuò)展奧氏體YN相和少量CrN和Fe4N組成.隨著氮?dú)饬髁吭黾?，擴(kuò)展奧氏體晶格常數(shù)從0.408nm下降至0.398nm,氮化物逐漸消失;氮化層厚度減小;同時(shí)硬度值與耐磨性降低.其中，氮?dú)饬髁繛?00mL/min的氮化試樣磨損量最小，僅為基體的0.4%.【期刊名稱】《遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2018(041)006【總頁數(shù)】6頁(P433-438)【關(guān)鍵詞】奧氏體不銹鋼316L;低溫等離子體輔助氮化擴(kuò)展奧氏體;微觀結(jié)構(gòu);機(jī)械性能【作者】滕越;郭媛媛;徐晗升;朱紫薇;劉波;黃振;楊永杰瀏磊【作者單位】遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051;遼寧科技大學(xué)理學(xué)院，遼寧鞍山114051【正文語種】中文【中圖分類】TG156.82奧氏體不銹鋼擁有優(yōu)秀的焊接性、耐蝕性能以及生物相容性，尤其在腐蝕環(huán)境中更是有著其他鋼種無可比擬的優(yōu)勢。然而，硬度低，耐磨性差，摩擦系數(shù)高等缺點(diǎn)也限制了其更廣泛地應(yīng)用［1-3］。為此，研究者們不斷探索表面改性技術(shù)來改善奧氏體不銹鋼的缺陷，表面氮化就是其中應(yīng)用較為廣泛的一種。滲氮處理能顯著提高鋼的強(qiáng)度，陳海濤等人研究發(fā)現(xiàn)每0.001%氮元素可使鋼的強(qiáng)度提高6MPa［4］o奧氏體不銹鋼表面的氮化層主要由擴(kuò)展奧氏體相YN構(gòu)成。擴(kuò)展奧氏體相YN是一種不規(guī)則的、存在點(diǎn)陣畸變的面心立方結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)態(tài)過飽和固溶體，其存在能顯著提高不銹鋼表面力學(xué)性能。采用等離子增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)對奧氏體不銹鋼進(jìn)行低溫氮化處理，在傳統(tǒng)兩極放電的基礎(chǔ)上，真空室中裝載了鎢絲作為等離子體源和加熱源，不僅提高氮?dú)獾碾x化率，實(shí)現(xiàn)了純氮?dú)獾牡蜌鈮?、高密度等離子體輔助氮化；與諸如射頻、ERC以及空心陰極源相比［5-6］，還具有低成本、高效率、工件受熱均勻等優(yōu)點(diǎn)［7-10］。燈絲輻射出熱量，使基體保持在氮化所需溫度，離子清洗過程實(shí)現(xiàn)對不銹鋼表面鈍化膜的去除，可對不銹鋼直接氮化。在基片上連接脈沖偏壓能夠有效避免滲氮過程中電弧對試樣表面損傷，且能實(shí)現(xiàn)在較低的溫度（400°C以下）進(jìn)行氮化，形成氮化層［11-13］。本文主要研究氮?dú)饬髁繉W氏體不銹鋼中的相結(jié)構(gòu)、氮元素分布、形貌及機(jī)械性能的影響。1實(shí)驗(yàn)條件基體選用316L奧氏體不銹鋼拋光薄片，其成分、前期處理與文獻(xiàn)［14］相同。使用低溫等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)對不銹鋼進(jìn)行氮化處理。氮化過程中，電子與氮?dú)夥肿影l(fā)生碰撞，電離出大量的N+2并使其在電場作用下向基體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步電離成N+離子和活性氮原子N*。N+與基片上的電子結(jié)合形成氮原子，與N*-起向基體中擴(kuò)散，形成氮化層［15-16］。當(dāng)試樣置入真空室后，開啟二級抽氣系統(tǒng)將真空室中壓強(qiáng)降至3.0mPa以下。通入Ar氣后分別采用-120V和-300V的偏壓對試樣表面進(jìn)行離子濺射清洗15min和30min，除去不銹鋼表面鈍化膜，并且清洗能夠活化表面促進(jìn)氮的擴(kuò)散。清洗結(jié)束后開始滲氮過程。氮化實(shí)驗(yàn)參數(shù)：本底真空3.0mPa，溫度400°C,基體偏壓-300V，燈絲偏壓-120V，燈絲電流8Ax4,N2氣流量100、150、200mL/min（標(biāo)況下，下同），氮化時(shí)間2h。氮化層的相結(jié)構(gòu)通過X'PertPowder型X射線衍射儀對進(jìn)行表征，并計(jì)算擴(kuò)展奧氏體晶格常數(shù)及內(nèi)應(yīng)力。截面形貌通過ZIGMAHD型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測，并進(jìn)行EDS線掃描測量氮元素分布。采用VHX-500F型超景深3D顯微鏡對氮化層的表面及磨痕形貌進(jìn)行觀察。使用HVS-1000A型維氏硬度計(jì)對氮化層顯微硬度進(jìn)行測量，保載時(shí)間15，，載荷1.96N。在MS-T3001型摩擦磨損儀上進(jìn)行的無潤滑干摩擦，通過磨損程度來研究氮化層的摩擦學(xué)性能。磨損儀轉(zhuǎn)速200r/min，載荷300g，時(shí)間60min。之后使用AlphastepD-100型臺階儀測量磨痕的截面輪廓，作為氮化層耐磨性能的評價(jià)依據(jù)。2結(jié)果與討論2.1相結(jié)構(gòu)分析圖1為基體與不同氮?dú)饬髁肯碌嚇拥腦RD圖譜。未氮化的奧氏體不銹鋼出現(xiàn)Y相的衍射峰，分別對應(yīng)奧氏體（111）、（200）及（220）晶面；氮化處理后試樣的峰位均向低角度區(qū)域偏移。這是由于氮原子固溶于奧氏體面心立方晶格間隙中，形成了過飽和固溶體——擴(kuò)展奧氏體YN相，導(dǎo)致晶格常數(shù)增大，因此衍射峰向左偏移。值得注意的是，氮?dú)饬髁繛?00mL/min的氮化層中有明顯的第二相CrN和Fe4N。這是由于氣體流量較小時(shí)，氣壓較低，N原子（離子）的平均自由程較大，氮原子（離子）能量較高，更容易進(jìn)入奧氏體晶格，故氮化層中氮含量更高，易析出氮化物相。圖1不同氮?dú)饬髁肯碌嚇蛹盎w的XRD圖譜Fig.1XRDpatternsofsubstrateandnitridedsamplestreatedatdifferentnitrogenflowrates根據(jù)Czerwiec等人基于應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的各向異性特性的晶格膨脹模型［17-18］,建立的晶格常數(shù)ahkl與取向因子Ahkl的關(guān)系，如圖2所示。其中，擬合直線的截距代表晶格常數(shù)，斜率則與內(nèi)應(yīng)力大小成正比。依據(jù)圖2結(jié)果，對擴(kuò)展奧氏體晶格常數(shù)及內(nèi)應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。擴(kuò)展奧氏體晶格常數(shù)隨氮?dú)饬髁康脑黾又饾u減小。這是由于氮?dú)饬髁吭黾右饓簭?qiáng)增大，導(dǎo)致N原子平均自由程下降，到達(dá)基片表面的N原子能量減小，注入作用減弱，晶格中固溶的N原子減少，引起內(nèi)應(yīng)力與晶格常數(shù)減小。圖2不同氮?dú)饬髁肯耡hkl與Ahkl關(guān)系圖Fig.2RelationshipbetweenahklandAhklfordifferentnitrogenflowrates圖3晶格常數(shù)及內(nèi)應(yīng)力隨氮?dú)饬髁孔兓疐ig.3Variationsoflatticeconstantandinternalstresswithnitrogenflowrate2.2表面形貌在1000倍的顯微鏡下觀察不同氮?dú)饬髁肯聺B氮試樣與基體的表面形貌，結(jié)果如圖4所示。氮化處理引起試樣表面形貌發(fā)生改變，這正是一種由于熱化學(xué)擴(kuò)散造成的特有表面狀態(tài)的漸變式轉(zhuǎn)變。氮原子進(jìn)入到奧氏體晶格間隙中引發(fā)晶格畸變，產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力［15］。該應(yīng)力（變）在表面處表現(xiàn)為各向異性，某些特定晶向晶粒的膨脹量高于其他晶向晶粒，使得表面出現(xiàn)浮凸。值得注意的是，隨氮?dú)馔ㄈ肓拷档?，表面晶界變得模糊，這是由于氮?dú)饬髁康蜁r(shí)壓強(qiáng)減小，N離子的轟擊能量增大，在對基體表面注入的過程中，產(chǎn)生的反濺射作用增強(qiáng)。雖然N的注入造成了表面浮凸，但同時(shí)也產(chǎn)生了離子刻蝕，所以表面晶界模糊。圖4基體與不同氮?dú)饬髁肯碌嚇拥谋砻嫘蚊矆DFig.4Surfacemorphologyofsubstrateandnitridedsamplestreatedatdifferentnitrogenflowrates2.3截面形貌及氮含量圖5為2000倍放大倍數(shù)下不同氮?dú)饬髁康嚇拥腟EM截面形貌及EDS氮元素分布結(jié)果。從圖5a中SEM圖片可看出，氮?dú)馔ㄈ肓繛?00mL/min時(shí)，氮化層厚度為16.69pm。隨著氮?dú)饬髁吭龃螅樱x子）自由程減小引起氮原子（離子）能量減小，擴(kuò)散能力降低導(dǎo)致氮化層的厚度減小。當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁拷禐?00mL/min時(shí)，氮化層厚度僅有8.99pm。根據(jù)圖5bEDS氮元素掃描結(jié)果可知，隨氮?dú)饬髁吭龃?，氮原子擴(kuò)散深度逐漸減小，其氮原子擴(kuò)散深度與SEM觀察到的氮化層厚度結(jié)果一致。氮?dú)馔ㄈ肓繛?50mL/min和200mL/min,氮原子分布在表層呈現(xiàn)平臺狀，到達(dá)一定深度后劇烈下降，與脫-束縛模型一致［19］。然而，當(dāng)?shù)獨(dú)馔ㄈ肓繛?00mL/min，試樣的表層氮元素分布并非平臺狀。這可能是由于大量氮原子析出形成氮化物，使得氮濃度增加。圖5不同氮?dú)饬髁肯略嚇覵EM截面形貌及EDS氮元素分布Fig.5SEMimagesofsamplecross-sectionsandcorrespondingEDSanalysisresultsofnitrogencontentdistributionsfordifferentnitrogenflowrates2.4硬度圖6為滲氮試樣的維氏硬度測量結(jié)果。滲氮后的奧氏體不銹鋼表面硬度值明顯升高，最高可由基體的213.1HV提高至1474.6HV。隨氮?dú)饬髁康脑黾?，維氏硬度值由1474.6HV減小至356.67HV。維氏硬度作為一種微米尺度的硬度測量方式，滲氮層厚度對維氏硬度值有著決定性的影響。該結(jié)果與圖5a中滲層厚度隨氮?dú)饬髁康淖兓厔菀恢?。圖6基體和不同氮?dú)饬髁肯碌瘜颖砻嬗捕菷ig.6Surfacehardnessofsubstrateandnitridedsamplestreatedatdifferentnitrogenflowrates2.5耐磨性圖7為基體與氮化試樣的磨痕形貌?；w奧氏體不銹鋼較軟，發(fā)生粘著磨損；氮化后，表面硬度顯著提高，由粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，其磨痕寬度以及深度均顯著降低。圖8為磨痕縱截面形貌。為表征磨損量，對劃痕輪廓進(jìn)行積分計(jì)算得出磨損截面積如下：316L不銹鋼基體磨損截面積為9635.85^m2,氮?dú)饬髁繛?00mL/min試樣磨損截面積為45.32pm2，氮?dú)饬髁繛?50mL/min試樣磨損截面積為183.73pm2，氮?dú)饬髁繛?00mL/min試樣磨損截面積為344.24pm2o隨氮?dú)饬髁康纳?，磨損量增加，因?yàn)殡S氮?dú)饬髁吭黾?，氮化層厚度減小，顯微硬度降低，因此耐磨性降低。由磨痕圖像以及磨損量結(jié)果來看，氮?dú)馔ㄈ肓繛?00mL/min試樣的耐磨性最佳，磨損量僅為基體的0.4%。綜上表明，在奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行低溫氮化處理可有效提高其耐磨性。圖7基體與不同氮?dú)饬髁肯碌嚇拥哪ズ坌蚊睩ig.7Morphologyofsurfaceweartrackofsubstrateandnitridedsamplestreatedatdifferentnitrogenflowrates圖8基體與不同氮?dú)饬髁肯碌嚇拥哪ズ劭v截面形貌Fig.8Profilesofsurfaceweartrackofsubstrateandnitridedsamplestreatedatdifferentnitrogenflowrate3結(jié)論采用等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)對不銹鋼316L表面進(jìn)行低溫氮化，形成大量擴(kuò)展奧氏體相YN和少量氮化物沉淀相（Fe4N和CrN）。隨氮?dú)饬髁康脑黾樱樱x子）能量降低，奧氏體晶格中的氮含量減少，引起擴(kuò)展奧氏體晶格常數(shù)從0.408nm下降至0.398nm，殘余內(nèi)應(yīng)力減小。氮化物相在氮?dú)饬髁吭黾拥?00mL/min時(shí)消失；氮化層厚度由16.69pm降低至8.26pm。氮原子進(jìn)入奧氏體中產(chǎn)生較高的晶格畸變，并且產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)在表面處引起晶格各向異性的膨脹——浮凸，然而隨氮?dú)饬髁吭黾樱礊R射作用減弱導(dǎo)致晶界變得清晰。氮?dú)饬髁繛?00mL/min的氮化試樣機(jī)械性能最優(yōu)，表面硬度高達(dá)1474.6HV;磨損量最低，僅為基體的0.4%?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】王琦，盧軍，楊威，等.奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮工藝研究[J].熱處理，2013,28(5):36-39.李朋，潘鄰，張良界，等.奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳的組織性能[J].材料保護(hù)，2013,26:97-101.徐林，巴德純，王慶，等.離子能流密度對AISI304不銹鋼氮化層摩擦性能的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014,34(10):1019-1023.[4]陳海濤，羅毅軍.氮對316LN奧氏體不銹鋼力學(xué)性能和耐蝕性的影響[J].特殊鋼，2013,34(6):56-58.[5]張仲麟，雷明凱.ECR微波等離子體源離子滲氮[J].金屬熱處理，1996(10):14-17.[6]李楊.AISI316L奧氏體不銹鋼空心陰極放電離子源滲氮技術(shù)[J].中國表面工程，2014,27(3):25-30.[7]程東，高原，唐光輝.3Cr13不銹鋼的等離子表面氮化[J].機(jī)械工程材料，2008,32(增2):111-113.[8]王中一.等離子體源滲氮AISI316奧氏體不銹鋼工藝研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.徐林，巴德純，王慶，等.醫(yī)用鍛造CoCrMo合金等離子氮化微觀結(jié)構(gòu)及摩擦性能[J].稀有金屬與材料，2017,46(1):51-56.劉佐嘉.316L與2205不銹鋼的腐蝕行為研究現(xiàn)狀[J].腐蝕與防護(hù)，2010,31(2):149-153.[11]任海，楊闖，羅松，等.1Crl8Ni9Ti不銹鋼真空氮化處理[J].貴州科學(xué)，2017,35(4):89-92.[12]謝飛.奧氏體不銹鋼離子滲氮層相結(jié)構(gòu)與性能研究[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,16(3):1-4.[13]朱祖昌，許雯，王洪.國內(nèi)外滲碳和氮化工藝的新進(jìn)展(一)[J].熱處理技術(shù)與設(shè)備，2013,34(4):1-8.[14]郭媛媛，滕越，高建波，等.脈沖偏壓對低溫氮化不銹鋼表面結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2017,37(9):902-908.[15]TAYLORJA,LANCASTERGM,IGNATIEVA,etal.Interactionsofionbeamswithsurfaces.Reactionsofnitrogenwithsiliconanditsoxides[J].JournalofChemicalPhysics,1978,68(4):1776-1784.[16]RUSNAKK