1Cr17与1Cr17Ni2两型不锈钢低压真空渗碳工艺研究∗

2020-09-28李炳坤

舰船电子工程 2020年7期

董琛李炳坤郑刚

（1.侯马市一号信箱38分箱侯马 043003）（2.山西平阳重工机械有限责任公司侯马 043003）

1 引言

不锈钢作为一种耐腐蚀性材料，在水中行业得到大量应用，如果强度及耐磨性不符合产品要求，将影响其在水中兵器发动机关键部位上的使用［1］。对不锈钢材料进行渗碳处理，可大幅度提高其强度及耐磨性等性能［2～4］。不锈钢渗碳与低合金碳钢渗碳不同，一方面，不锈钢表面有一层钝化膜，如果钝化膜不去除或去除不完全，容易出现无法渗碳或者渗层不均匀的现象［5～6］；另一方面，不锈钢的渗碳温度比低碳钢及低合金钢的渗碳温度高，一般低碳钢和低合金钢的渗碳温度为880℃～930℃，不锈钢的渗碳温度达到980℃～1080℃，而传统的渗碳炉的最高使用温度只有950℃，无法满足不锈钢渗碳的要求［7～8］。真空渗碳既可以用真空方法去除不锈钢钝化膜，又可适应更高温度渗碳的要求，还可避免渗碳过程中产生的内氧化等缺陷，具有工件表面光亮、生产效率高、成本低、可进行盲孔或小孔渗碳等有优点［9～12］。因此，采用真空渗碳是不锈钢渗碳的最佳方案。1Cr17不锈钢是铁素体型不锈钢，1Cr17Ni2不锈钢是马氏体型不锈钢，用这两型不锈钢制作的零件，为了适应在较高温度下使用并具有良好的耐磨性，提出了不锈钢渗碳的要求。本研究采用德国进口的易普森低压真空渗碳炉对这两型不锈钢进行真空渗碳，探讨了不锈钢由于钝化膜而不易渗碳和渗碳温度过高的问题。

2 试验材料和方法

2.1 材料和设备

试验用1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢试样各两件，试样规格8×8×50mm，主要化学成分见表1，符合材料标准要求。1Cr17不锈钢试样为退火状态，1Cr17Ni2不锈钢试样为调质状态，硬度为HRC28-32。试验设备为德国易普森VUTK-224单室低压真空渗碳炉，加热室的极限真空度为1×10-1Pa。

采用MH-6型显微硬度计（载荷1kg）测量渗层硬度梯度，采用NZOPOT30金相显微镜测量渗层深度及观察显微组织，洛氏硬度计测量心部硬度。

表1 1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢的化学成分

2.2 真空渗碳工艺

真空渗碳工艺采用低压渗碳-真空扩散的脉冲方式进行，渗碳剂为乙炔气体。工艺曲线见图1。渗碳温度为1070℃，在低压渗碳阶段通入乙炔气体。在700Pa～800Pa压力下真空炉中的试样表面形成较高碳势，保持一段时间之后，将加热室抽至高真空度，进入碳原子试样内部的扩散阶段，完成一次脉冲过程。如此循环，并且逐渐延长每个脉冲过程真空扩散阶段的时间，至最终完成渗碳。

图1 低压渗碳-真空扩散工艺曲线

2.3 实验方案

1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢两个试样一同放入真空渗碳炉渗碳，1070℃渗碳，时间为8小时，保温结束后随炉冷却至850℃，此时用氮气冷却，气体压力为1bar。渗碳后在普通箱式炉300℃回火1小时。

3 实验结果及分析

3.1 两型不锈钢真空渗碳后的硬度

1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢真空渗碳后的表面硬度和心部硬度测试结果见表2。

从表2可以看出，1Cr17铁素体不锈钢试样渗碳淬火后表层硬度为HRC52-53，心部硬度为HRC16-17；1Cr17Ni2马氏体不锈钢试样渗碳淬火后表层硬度为HRC62-63，心部硬度为HRC51-52。

表2 1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢试样真空渗碳淬火回火后表面硬度和心部硬度

3.2 渗层深度

采用金相法对试样渗层深度进行测量，结果见图2。

采用金相法按照过共析区+共析区+1/2过渡区的标准测量，1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢材料试样渗碳后渗层分别为0.58mm、1.0mm。

图2 渗层深度采用金相法测试结果×100

3.3 显微组织

图3为1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢试样渗碳淬火、回火后渗碳层及心部显微组织。

1Cr17、1Cr17Ni2两型不锈钢试样渗层的晶粒均较大，1Cr17Ni2不锈钢试样较1Cr17不锈钢试样晶粒大；金相组织均为马氏体+细网状连续分布的碳化物组织，按照HB5022-77碳化物组织评定，碳化物级别据达到8级。从这型不锈钢材料的渗层金相组织分析，试验采用的渗碳温度过高，渗层的晶粒度大、碳化物级别偏高。

从这两型不锈钢材料的心部金相组织分析，1Cr17不锈钢试样的心部组织为铁素体组织（软相），1Cr17Ni2不锈钢试样的心部组织为较粗大的回火马氏体组织（硬相）。这两型不锈钢材料的心部金相组织特性与表2检测的硬度值基本相符。