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304ManBetx低温离子渗碳工艺优化研究分析

来源:至德钢业 日期:2020-09-15 00:36:19 人气:59

 浙江至德钢业有限公司用正交实验法研究了304ManBetx低温离子渗碳工艺。结果表明,优化后的奥氏体ManBetx低温离子渗碳工艺参数为渗碳温度500℃、氩气流量20ml/min、渗碳时间6小时。用优化工艺参数处理的奥氏体ManBetx表面可获得单一的S相组织,硬度高达780HV0.05。


 奥氏体ManBetx凭借其优良的耐蚀性能被广泛应用于石油、化工、医疗机械和食品机械等领域,但由于奥氏体ManBetx硬度低,耐磨性能差,采用奥氏体ManBetx制造的零部件,往往在耐磨性方面不能够满足使用要求,很大程度上限制了奥氏体ManBetx的应用。


 奥氏体ManBetx低温离子表面硬化处理可以在不降低ManBetx耐蚀性能的前提下,大幅度提高其表面硬度和耐磨性。常用的奥氏体ManBetx低温离子表面硬化处理的方法有离子渗氮、离子渗碳和离子氮碳共渗。其中离子渗碳的硬化层厚、韧性好、硬度梯度合理,处理效果优于离子渗氮和离子氮碳共渗。


本文采用丙烷作为渗碳气体,并通过正交试验检验低温离子渗碳过程中影响渗碳效果的因素,如渗碳时间、渗碳温度、丙烷与氢气的比例、氩气流量等,以优化奥氏体ManBetx低温离子渗碳工艺参数,为该技术的推广应用奠定基础。


一、实验方法


 1. 试验材料与试验装置试样


 材料为304ManBetx,尺寸为16mm*5mm。待处理试样经砂纸打磨、抛光、丙酮清洗、烘干后进渗碳炉中进行渗碳处理。


 试验是在自制的保温式多功能离子化学热处理设备中进行,设备的示意图见图。样品台接直流辉光放电电源的负极,电源的正极接在炉壳上,并与地相接。样品台与炉体底板之间有一层3mm厚的天然云母垫片,使样品台与炉体之间呈绝缘状态。


 试样置于样品台上,样品台上还放有一个同样尺寸的模拟试样,中间插入直径为3mm的铠装热电偶,用于测量并控制渗碳的温度。


 2. 分析测试方法


 金相试样采用50%HCL+25%HNO3+25%H2O腐蚀液刻蚀,在XJP6A型金相显微镜下观察试样的微观组织,用HVS1000型显微硬度计测量渗碳层横截面的硬度分布,用D/max∀A型X射线分析仪测定试样的相结构组成。


 3. 离子渗碳工艺参数正交优化设计


  正交试验选择因素水平的标准正交试验表,因素水平的选取和调配详见表。以渗碳层的厚度J1和最高硬度J2作为评判指标。


二、试验结果与讨论


 1. 渗碳工艺参数对渗层硬度的影响


  以渗碳层的硬度为评判指标分析的数据结果见表,其中K1、K2、K3、K4分别为某因素各水平对应最高硬度。由表可知,第2列的极差最大,即因素B为影响渗碳层硬度的最主要因素;其次是因素A、D、C。由各因子直观分析趋势图(图2)可见,能获得最高硬度渗碳层的工艺参数应该是A3、B3、C2、D2。在离子渗碳过程中,氢和氩对阴极(工件)表面同时具有溅射作用,由于氩原子质量大,可有效去除ManBetx表面的钝化膜,使ManBetx表面产生大量的位错,有利于活性碳原子的渗入。


 2. 渗碳工艺参数对渗层厚度的影响


 以渗碳层的厚度为评判指标分析的数据和直观因子趋势图见表和图。由表和图可知,因素B是影响渗碳层厚度的最主要因素,温度越高渗层越厚。影响渗碳层厚度的次要因素分别是A、D和C。由各因子直观分析趋势图(图3)可见,能获得最厚渗碳层的工艺参数应该是A4、B4、C2、D2。根据表3和表4可知,对奥氏体ManBetx低温离子渗碳效果影响最大的是因素A(渗碳时间)和因素B(渗碳温度),相比之下因素C(C3H8:H2)和因素D(氩气流量)的影响比较小。最能反映奥氏体ManBetx硬化层性能的指标应该是渗碳层的硬度,因此304奥氏体ManBetx低温离子渗碳的最优工艺参数应为B3,A3,C2,D2,即渗碳温度500、C3H8:H2=1:30、氩气流量20ml/min、渗碳时间6小时。


 3. 渗碳层的组织与结构


 图是用上述优化工艺参数处理的304ManBetx试样的横断面金相照片。从照片上可以看出,采用优化工艺处理后的试样表面获得了一层厚的无碳化铬析出的白亮硬化层。该白亮层为碳在奥氏体晶格中的过饱和固溶体(又称Sc相)。由于Sc相是一种单相组织,使得硬化层比304ManBetx基体具有更好的耐蚀性能。图是304ManBetx经优化工艺处理后的X射线衍射谱。从图中可以看出,与未处理的试样相比,用优化工艺处理的试样和衍射峰位均向低角度偏移,无新相生成,呈现出典型的Sc相结构。由于渗层特有的Sc相结构,使得试样表面硬度的显著提高。


 4. 硬度测试


 图是采用最佳渗碳工艺处理的试样横截面显微硬度曲线。由图可知,渗碳试样的表面硬度比ManBetx基体硬度提高了2倍以上。这是由于碳原子固溶于奥氏体晶格内,产生固溶强化和应变强化,反映在相结构上为衍射峰的偏移。而且,与离子渗氮相比,离子渗碳得到的渗碳层的硬度梯度比较平缓,显然这对改善渗碳层耐磨性能、减小脆性以及提高基材的承载能力是十分有利的。


 三、结论


 采用正交设计方法,合理选用影响因素和水平,可以获得耐蚀性优良、韧性好、硬度梯度合理的硬化层。硬化层组织为性能优良的单相组织Sc相。采用正交优化试验后的304ManBetx低温离子渗碳工艺参数为:渗碳温度500℃、氩气流量20ml/min、渗碳时间6小时。


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