低溫滲碳處理對(duì)G95Cr18馬氏體不銹鋼組織和性能的影響

高飛，宗曉明，權(quán)超健，張煉

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 ，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039；4.武漢材料保護(hù)研究所，武漢 430030)

G95Cr18馬氏體不銹鋼以其良好的耐腐蝕性廣泛應(yīng)用于航天軸承領(lǐng)域，但其硬度較常用的軸承鋼GCr15低，會(huì)對(duì)其耐磨性和使用壽命造成不利影響?，F(xiàn)有研究表明，軸承失效主要發(fā)生在工作表面和次表面層，因而采用表面改性強(qiáng)化技術(shù)提高不銹鋼軸承的表面硬度、耐磨性和使用壽命是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究方向。目前已有多種表面強(qiáng)化技術(shù)，如滲氮、滲碳、電鍍、氣相沉積、離子注入、熱噴涂等，其中滲氮和滲碳為最常用的技術(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，將不銹鋼在低于500 ℃溫度下進(jìn)行滲氮或滲碳處理時(shí)，可得到含氮或含碳的固溶體和擴(kuò)散層，即S相滲層，氮或碳原子起固溶強(qiáng)化的作用，不僅提高了不銹鋼的表面硬度，而且增強(qiáng)了耐蝕性，有關(guān)S相滲層的形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還在研究中?，F(xiàn)對(duì)G95Cr18馬氏體不銹鋼低溫滲碳處理后的組織和性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試樣采用G95Cr18馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，試樣尺寸20 mm×10 mm×8 mm，分A，B兩組(A組為試驗(yàn)組，B組為對(duì)照組)，每組3個(gè)試樣，2組試樣均經(jīng)過(guò)常規(guī)的淬回火處理。試樣表面經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、研磨，表面粗糙度Ra為0.2 μm，直線度為0.002 mm，A組試樣在低溫滲碳處理前進(jìn)行去油、去污處理。

表1 G95Cr18馬氏體不銹鋼材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of G95Cr18 martensitic stainless steel wt，%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

采用XJP-100金相顯微鏡觀察基體組織；采用Phlips XL-30FEG掃描電鏡進(jìn)行表面微觀組織觀察及截面元素分布測(cè)試；采用HV100維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試；采用TR150直線度儀對(duì)試驗(yàn)前后試樣直線度進(jìn)行測(cè)量；采用HR-150洛氏硬度計(jì)對(duì)處理前后基體組織硬度進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)采用自制的保溫式多功能化學(xué)熱處理低溫滲碳爐，該爐體結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高滲碳爐內(nèi)工件溫度的均勻性，特別適合不銹鋼的低溫硬化處理。爐內(nèi)放置高度為200 mm的三腳架，將G95Cr18馬氏體不銹鋼懸掛在三腳架上，為精確控制爐內(nèi)溫度，將3 mm的熱電偶置于三腳架中心部分，用于測(cè)量并控制爐內(nèi)溫度。不銹鋼低溫滲碳工藝流程如圖1所示，工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 低溫氣體滲碳流程圖Fig.1 Flow chart of low temperature gas carburizing

表2 低溫氣體滲碳工藝參數(shù)Tab.2 Parameter of low temperature gas carburizing process

活化工藝是為了增加材料表面活性，消除氧化膜，低溫滲碳選擇含氯混合氣體為預(yù)處理氣氛，預(yù)處理參數(shù)設(shè)計(jì)為在含氯混合氣體下，溫度達(dá)到440 ℃，保溫2 h，次數(shù)為2次，這樣在預(yù)處理過(guò)程中，多次消除氧化膜，可以防止在低溫滲碳初期氧化膜的再生，效果好于1次處理。劃痕試驗(yàn)按JB/T 8554—1997《氣相沉積薄膜與基體附著力的劃痕試驗(yàn)方法》進(jìn)行，線性施加150 N的載荷，加載長(zhǎng)度為3 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲碳層微觀形貌

G95Cr18馬氏體不銹鋼經(jīng)低溫滲碳處理后斷面的微觀形貌如圖2所示。由圖可知，試樣表面產(chǎn)生明顯的白亮層，且滲層組織致密，經(jīng)苦味酸酒精溶液腐蝕后可看到明顯滲層，滲層中無(wú)孔洞、裂紋等缺陷，經(jīng)測(cè)量，表面白亮層的厚度為10～15 μm。

2.2 滲層硬度分析

經(jīng)低溫滲碳處理后G95Cr18馬氏體不銹鋼從表面到基體的的硬度分布如圖3所示。由圖可知，試樣表面硬度為1 700 HV，距表面5 μm處硬度為1 610 HV，距表面10 μm處硬度為1 420 HV，由此可知，滲層硬度從最表面→過(guò)渡區(qū)→心部基體呈梯度下降。目前關(guān)于不銹鋼表面低溫滲碳處理尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參照GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》中規(guī)定，將從試樣表面到比基體高50 HV處的垂直距離定義為滲層深度，試樣的滲層深度為20 μm(硬度為690 HV)，表面硬度遠(yuǎn)高于基體(硬度約為640 HV)，這是由于G95Cr18不銹鋼在低溫滲碳處理過(guò)程中表面形成了高硬度的S相。

2.3 滲層表面碳元素分布情況

低溫滲碳處理后，從試樣表面到心部的碳元素分布情況如圖4所示。由圖可知，碳元素的比例逐漸下降，因此，低溫滲碳處理后表面發(fā)生了碳元素的富集，大量的碳固溶于不銹鋼表面，形成了過(guò)飽和固溶體S相，改變了不銹鋼表層的元素分布情況。

圖4 低溫處理后從表面到心部碳元素分布情況Fig.4 Distribution of carbon from surface to matrix after low temperature carburizing treatment

2.4 低溫滲碳處理前后基體組織與硬度變化

低溫滲碳處理前后基體組織金相圖如圖5所示。由圖可知，由于處理溫度較低，G95Cr18馬氏體不銹鋼基體組織在500倍光學(xué)顯微鏡下觀察未發(fā)生明顯變化。處理前后基體組織的硬度測(cè)試值見(jiàn)表3。由表可知，低溫滲碳處理后，試樣基體組織硬度有小幅下降(由60.3 HRC下降到57.1 HRC)，這是因?yàn)镚95Cr18馬氏體不銹鋼在440 ℃溫度下處理相當(dāng)于高溫回火，馬氏體中碳化物析出增多，晶格畸變減小，因此基體硬度略微下降。

表3 低溫滲碳處理前后基體硬度Tab.3 Matrix hardness before and after low temperature carburizing treatment HRC

圖5 處理前后基體組織金相圖Fig.5 Phase diagram of matrix microstructure before and after low temperature carburizing treatment

2.5 低溫滲碳處理對(duì)直線度及表面粗糙度影響

低溫滲碳處理前后試樣直線度的變化情況見(jiàn)表4。由表可知，經(jīng)低溫滲碳處理后，試樣直線度略有上升(1.8～2.5 μm)，主要是因?yàn)樵?40 ℃下保溫30 h相當(dāng)于高溫回火，基體組織發(fā)生了相變與應(yīng)力釋放。低溫滲碳處理前后試樣表面粗糙度Ra的變化情況見(jiàn)表5。由表可知，經(jīng)過(guò)低溫滲碳處理后，試樣表面粗糙度Ra由0.18 μm上升到0.30 μm，這是由于表面有新相產(chǎn)生，生成了過(guò)飽和的S相。

表4 低溫滲碳處理前后試樣直線度的變化情況Tab.4 Changes of linear degree of samples before and after low temperature carburizing treatment μm

表5 低溫滲碳處理前后表面粗糙度Ra的變化情況Tab.5 Surface roughness changes before and after low temperature carburizing treatment μm

2.6 滲層結(jié)合力分析

低溫強(qiáng)化處理后，對(duì)試樣進(jìn)行劃痕試驗(yàn)測(cè)試，其表面形貌如圖6所示。由圖可知，硬化層未顯示出脆性剝落，只顯示明顯的“犁溝”特征，表現(xiàn)出良好的韌性與結(jié)合強(qiáng)度，在結(jié)合力測(cè)試過(guò)程中僅產(chǎn)生垂直于劃痕方向的微裂紋。

壓頭壓入深度、噪聲隨劃痕距離的變化曲線如圖7所示。由圖可知，B點(diǎn)為壓頭壓入深度隨劃痕距離變化的突變點(diǎn)，在此處開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋；滲層沒(méi)有明顯的噪聲。

圖7 壓頭壓入深度、噪聲隨劃痕距離的變化曲線Fig.7 Changing curves of pressure depth,noise

由此可知，加載過(guò)程中，聲音信號(hào)未發(fā)生明顯波動(dòng)，劃痕測(cè)試范圍內(nèi)未出現(xiàn)大的剝落與裂紋，表明在整個(gè)加載過(guò)程中，滲層表現(xiàn)出良好的結(jié)合力。

3 結(jié)論

1)G95Cr18馬氏體不銹鋼在常規(guī)淬回火條件下，經(jīng)低溫滲碳處理后表面硬度得到顯著提高。

2)低溫滲碳強(qiáng)化處理對(duì)基體組織的影響較小，處理后組織形態(tài)與硬度未發(fā)生明顯變化。

3)滲層與基體的結(jié)合力好，未發(fā)生明顯剝落，綜合性能良好。

4)低溫滲碳處理對(duì)試樣直線度及表面粗糙度的影響較小。