304奥氏体不锈钢表面渗Cr的组织与性能_张经庭.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 2 期 8 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 2 月 304 奥氏体不锈钢表面渗 Cr 的组织与性能 304 奥氏体不锈钢表面渗 Cr 的组织与性能 张经庭（重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054）摘 要：摘 要：采用粉末包埋法渗铬技术，通过感应加热的方式在 304 奥氏体不锈钢表面制备了渗铬（Cr）层。利用 X 射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等方法，表征了感应加热渗铬层的厚度、物相组成和微观结构。并对渗铬后试样表面的硬度、耐磨性能进行了试验。结果表明：渗铬层厚度约为 80m，渗层主要由渗层主要由（Cr，Fe)23C6、（Cr，Fe)7C3和 Fe-Cr 固溶体组成；渗铬后 304 奥氏体不锈钢的表面硬度明显提高，耐摩擦性能显著增强。关键词：关键词：304 奥氏体不锈钢；粉末渗铬；硬度；耐摩擦性 引 言 引 言 304 不锈钢是目前应用较为广泛的高铬镍奥氏体不锈钢，由于其具有较好的耐蚀性、耐热性以及良好的机械性能，在核电厂机械设备的设计中也常常被选作为结构材料1，2。其中 304 不锈钢主要用于制造堆内构件如围板螺栓、稳压器容器等，是应用最为广泛的核电结构材料之一3。但 304 不锈钢硬度低和耐磨性差的缺陷，限制了其更为广泛的应用范围，特别是在核反应堆中高温复杂的工作环境下，304 不锈钢器件容易表面磨损导致失效影响其使用寿命。表面工程技术在不改变材料基体的情况下，强化或获得某些特殊性能从而适应特殊的环境，从而扩大了材料的使用范围，受到了广泛的应用4。通过表面技术对 304 奥氏体不锈钢进行表面改性，可以解决其硬度低，耐磨性差的问题。研究者们发现，渗碳、渗氮工艺得到的扩渗层比较薄，难以在核反应堆高温复杂情况下长期工作。由于反应堆运行的苛刻环境，获得高质量涂层是涂层工艺选择的重要前提5。通过固体渗 Cr 工艺可得到较厚的渗铬改性层，能够显著提升 304 不朽钢表面硬度和耐磨性。因此，本文采用粉末包埋法渗铬技术，通过感应加热的方式在 304 奥氏体不锈钢制备渗铬层，并研究其渗层的组织及显微硬度和耐磨性能。1 实验方法 1 实验方法 本次实验采用商业奥氏体不锈钢板，试样尺寸为 25mm20mm6mm，其化学成分如表 1 所示。将试样用砂纸打磨至 800 目，用酒精溶液超声波清洗后备用。所采用的渗剂配方（质量分数）为：45%Cr 粉，45%氧化铝粉（Al2O3），5%氯化铵（NH4Cl），5%稀土氧化镧（La2O3）。把试样包埋进渗铬粉剂中，然后通过感应加热的方式进行渗 Cr 处理。加热到 1000，保温时间为 1h。（样品记为304-Cr）表 1 304 奥氏体不锈钢化学成分（wt%）表 1 304 奥氏体不锈钢化学成分（wt%）元素 C Si Mn Cr Ni S P Fe 含量（wt%）0.08 1.0 2.0 18.0-20.0 8.0-10.5 0.03 0.035 余量 渗 Cr 后，采用场发射扫描电子显微镜配备背散射电子成像（BSEI）、能量色散光谱仪（EDS）对渗层组织进行表征，采用 DX-2500 型 X 射线衍射仪（XRD）检测扩渗后试样的表面物相结构。利用 HVS-1000Z 型自动转塔数显维氏硬度仪测量试样渗层的截面硬度，耐摩擦性能由 HSE-2M 高速往复摩擦磨损试验仪测试。2 结果与讨论 2 结果与讨论 2.1 表面物相分析 图 1 为渗铬层的物相分析图，可以看出，渗层的主要组成物相为典型的合金碳化物(Cr,Fe)23C6、(Cr,Fe)7C3以及 （Fe-Cr）固溶体相6。在感应加热渗铬过程中，工件先被加热再带动粉末升温，再高温作用下渗铬剂反应形成的活性Cr 原子聚集在工件的表面，于是在工件表面和基体存在 Cr元素的浓度差，在高温下 Cr 原子向基体内扩散；同理，基体与渗层中存在 Fe 元素的浓度差，通过热扩散运动 Fe 原子向渗层方向扩散，形成渗铬层。相关研究表明7，相比较 Fe原子，C 原子更容易和 Cr 原子结合形成碳铬化合物，因此奥氏体内的C元素向渗层方向析出，C原子的原子半径较小，容易通过晶界向渗层析出，在渗层靠近晶界处与 Cr、Fe 元素形成了合金碳化物(Cr,Fe)23C6、(Cr,Fe)7C3。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.047 张经庭：304 奥氏体不锈钢表面渗 Cr 的组织与性能 9 图 1 渗铬层物相分析 图 1 渗铬层物相分析 2.2 界面微观组织分析 图 2 为渗层截面的微观组织图，从图 2（a）可以看出渗层的主要组成元素 Cr、Fe 的元素分布，其渗层厚度大约为 80m，Cr 元素随着渗层向基体方向出现含量减少的趋势，而 Fe 元素则表现为增加的趋势。图 2（b）为（a）中的方框局部放大图，可以明显地看出碳铬化合物形成的柱状晶是沿晶界处析出的。图中的 EDS点扫数据如表 2 所示，可以明显看出渗层的 Cr 元素含量比基体高出了 1 倍；Fe 元素的含量是从基体到渗层表面逐渐减少的，从基体（P3）的 75.65wt%到渗层表面（P1）的56.11wt%，可以看出渗层中的 Fe 元素含量是比较大的。渗层与基体的结合界面没有出现孔洞和裂纹等缺陷，表明了渗Cr 层与基体的结合性能较好。图 2 界面微观组织图及 EDS 分析图 图 2 界面微观组织图及 EDS 分析图 表 2 图 3 中 EDS 点扫成分分析结果 表 2 图 3 中 EDS 点扫成分分析结果 点 质量百分比（%）Fe Cr 原子百分比（%）Fe Cr 1 56.11 43.89 54.34 45.66 2 68.87 31.13 67.31 32.69 3 78.65 21.35 77.42 22.58 2.3 界面显微硬度 图 3 304 奥氏体不锈钢渗 Cr 后试样界面显微硬度 图 3 304 奥氏体不锈钢渗 Cr 后试样界面显微硬度 图 3 为渗 Cr 后的试样界面硬度分布图，可以看见，渗铬后试样表面硬度有了明显的提升，可达到 360HV，相比较基体的 150HV 提升了 2.4 倍。相比较基体的奥氏体组织，渗层是由 Fe-Cr 固溶体和合金碳化物(Cr,Fe)23C6、(Cr,Fe)7C3组成，合金碳化物的硬度是较高的，分布于渗层之中，能够显著的提升渗层的硬度。研究表明8，(Fe,Cr)7C3碳化物硬度随 Cr 含量的增加而增加的，结合点扫数据 Cr 元素含量的变化，这与渗层硬度的变化是相对应的。2.4 耐磨性能 摩擦磨损性能由 HSE-2M 高速往复摩擦磨损试验仪测试，图 4（a)是原始样（304）和渗 Cr 试样（304-Cr）的磨损质量对比图，结果表明，渗 Cr 后的磨损质量约为原始样的一半，为 0.32mg。在相同摩擦参数下，感应加热渗 Cr 样比原始样更耐磨，磨损更小。图 4（b)为 304 和 304-Cr 试样的摩擦系数随磨损时间的变化曲线，304-Cr 试样的摩擦系数明显比 304 试样的低。这主要是因为渗 Cr 层的表面硬度较高，磨球在相同载荷情况下，与试样的接触面比原始样小，故初始摩擦系数更小。随着摩擦时间和磨损量的增加，磨损面逐渐增加，磨球和试样的接触面积增大，摩擦系数增大9。因此，在该试验条件下，感应加热渗 Cr 试样的耐磨性更好。10 张经庭：304 奥氏体不锈钢表面渗 Cr 的组织与性能 图 4 渗铬前、后摩擦磨损对比图：（a）磨损质量；（b）摩擦系数 图 4 渗铬前、后摩擦磨损对比图：（a）磨损质量；（b）摩擦系数 3 结 论 3 结 论（1）利用粉末包埋渗铬法，通过感应加热的方式升温到 1000，保温 1h 能在 304 奥氏体不锈钢的表面制备出致密的渗铬层。渗层主要由合金碳化物(Cr,Fe)23C6、(Cr,Fe)7C3以及（Fe-Cr）固溶体相组成。（2）渗铬处理后，304 奥氏体试样的表面硬度明显提高，表面硬度为 360HV，较基体组织提高了 2.4 倍；摩擦磨损测试中，磨损质量约为未处理试样的一半，摩擦系数也更小，耐磨性得到明显提升。参考文献 参考文献 1 朱齐荣.核电厂机械设备及其设计M.北京:原子能出版社,2000:12-15.2 顾军扬,陈连发.先进型沸水堆核电厂M.北京:中国电力出版社,2007:43-49.3 WAS G S,AMPORNRAT P,GUPTA G,et al.Corrosion and stress corrosion cracking in supercritical water J.J Nucl Mater,2007,371(1-3):176-201.4 涂铭旌,欧忠文.表面工程的发展及思考J.中国表面工程,2012,25(5):1-5.5 杨红艳,陈寰,张瑞谦,等.核电耐事故锆包壳表面涂层研究进展J.表面技术,2022,1(16):1-16.6 HU Jian-jun,MA Cao-ping,YANG Xian,et al.Microstructure Evolution During Contin-uous Cooling in AISI 5140 Steel Processed by Induction Heating ChromizingJ.Journal of Materials Engineering and Performance,2017,26(11):5530-5537.