杜佳瑋 孔令浩 田 野 李方亮 趙海濤

(沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

鋼的表面處理方法類別有很多種，其主要目的是增強(qiáng)鋼表面的美觀程度或者增強(qiáng)其硬度等物理性質(zhì)[1-3]。本文以304奧氏體不銹鋼為基體，采用氣相擴(kuò)滲的方法將氮滲入鋼中，利用SEM、EDS、EBSD及維氏硬度計(jì)對(duì)滲氮后的不銹鋼試樣表面成分、形貌及硬度進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)以304不銹鋼為基體，其尺寸規(guī)格為5mm×5mm×5mm。使用坩堝式電阻爐，利用氣相擴(kuò)滲法將氨水在高溫下得到的N元素?cái)U(kuò)滲入304不銹鋼表面。分別于560、610和660°C溫度下進(jìn)行時(shí)間為2h，4h和6h滲氮處理。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、電子背散射衍射(EBSD)和HVS-A50數(shù)顯維氏硬度計(jì)，研究其滲氮層表面微觀形貌和表面硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲碳層成分分析

圖1a為不銹鋼560℃滲氮6h的試樣截面顯微組織掃描電鏡照片。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)氣相擴(kuò)滲工藝處理后在不銹鋼表面形成了厚度約為10μm滲氮層。利用EDS進(jìn)行點(diǎn)分析(圖1b)來(lái)確認(rèn)試樣表面滲氮層的元素含量達(dá)到10.72wt%，說(shuō)明氮元素已經(jīng)滲入不銹鋼表層。

圖1 (a)試樣截面掃描電鏡照片；(b)EDS點(diǎn)分析譜

2.2 EBSD分析

圖2a為560℃滲氮6h不銹鋼試樣截面的BC圖。由圖可見(jiàn)，不銹鋼基體由奧氏體晶粒組成，晶粒大小不均勻，晶粒尺寸范圍15μm～60μm。不銹鋼表面滲氮層晶粒較細(xì)小。圖2b為560℃滲氮6h不銹鋼試樣截面的反極圖(IPF圖)。圖中不同顏色代表不同的晶體取向，其中綠色代表<101>取向，藍(lán)色代表<111>取向，紅色代表<001>取向。由圖可見(jiàn)，樣品中晶粒取向隨機(jī)，存在少量小角晶界，以大角晶界為主。

圖2 試樣截面BC圖(a)和IPF圖(b)

2.3 硬度分析

在不同滲氮時(shí)間和滲氮溫度的試樣上取5個(gè)點(diǎn)，使用HVS-50數(shù)顯維氏硬度計(jì)，進(jìn)行硬度測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。由表可知，當(dāng)材料材質(zhì)、擴(kuò)滲溫度及擴(kuò)滲氣體氛圍均相同時(shí)，擴(kuò)滲時(shí)間越長(zhǎng)，試樣的表面硬度有所提升；當(dāng)材料材質(zhì)、擴(kuò)滲時(shí)間及擴(kuò)滲氣體氛圍均相同時(shí)，擴(kuò)滲溫度越高，試樣的表面硬度明顯提升。在660℃滲氮4h后不銹鋼表面的硬度可達(dá)313.86HV。

表1 維氏硬度測(cè)量統(tǒng)計(jì)表(HV)

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)滲氮后在樣品表面形成了一層致密的滲氮層，厚度約為10μm。不銹鋼表面滲氮層中氮含量達(dá)10.72wt%，說(shuō)明氮元素已經(jīng)滲入不銹鋼表層。不銹鋼基體由奧氏體晶粒組成，晶粒大小不均勻，晶粒尺寸范圍15μm～60μm。不銹鋼表面滲氮層晶粒較細(xì)小。樣品中晶粒取向隨機(jī)，存在少量小角晶界，以大角晶界為主。滲氮過(guò)程中，擴(kuò)滲時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)滲溫度越高，試樣的表面硬度明顯提升。在660℃滲氮4h后不銹鋼表面的硬度可達(dá)313.86HV。