马氏体不锈钢低温等离子体稀土氮碳共渗研究

　　17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢具有优良的耐蚀性、较高的硬度和一定的耐磨性，其主要通过时效析出弥散的纳米级的沉淀相ε-Cu来强化[1]。但在某些化学、机械以及酸、碱、高温等耐磨性及耐蚀要求较高的工作环境中，其耐磨性仍不能很好地满足要求[2]。渗氮或氮碳共渗能有效地提高材料的整体性能，通过在材料表面形成高强度、高耐磨的渗氮层的同时心部强度也得到提高[3-4]。大量研究表明，稀土的添加可有效缩短渗氮或氮碳共渗周期并改善渗层质量[5-7]。作者前期对17-4PH不锈钢常规氮碳共渗进行了研究表明，17-4PH不锈钢经常规等离子体氮碳共渗后可显著提高其摩擦性能，且稀土氮碳共渗层的摩擦性能更好，但从显微组织可以看出，耐蚀性略有降低[8]。

　　本文作者旨在研究添加稀土对17-4PH不锈钢低温等离子体氮碳共渗动力学、渗层的组织结构、硬度以及耐磨性能的影响。

　　1 试验材料与方法

　　试验选用17-4PH不锈钢，其成分如表1所示。材料首先进行固溶处理，工艺为1040℃固溶处理1h油冷。将固溶态不锈钢加工成尺寸不同的试样，用于组织结构测试的试样尺寸为13mm×13mm×4mm，用于摩擦学性能测试的试样尺寸为28mm×14mm×4mm。

　　将加工好的不锈钢置于30kW脉冲等离子体多元共渗炉中，升温至430℃进行有无稀土添加的等离子体氮碳共渗处理，时间1～16h，N2、H2、C2H5OH(含稀土)之间的比为1∶3∶0.5，炉内压力约150Pa。稀土试剂及其配制方法见文献[9]。

　　选用CMM-33E型光学显微镜(OM)对渗层组织进行观察; 采用D/max-rB型X射线衍射仪(XRD)对渗层表面相结构进行分析; 利用FA2204B型电子天平测量渗层质量的增加(简称增重); 用HV-1000型显微硬度计测试渗层的显微硬度分布，载荷砝码100g，保持时间15s; 利用Pin-on-Disk-1-AUTO型摩擦磨损试验机对渗层耐磨性进行测试，条件为干摩擦，磨损载荷10N，WC球作为销头，直径Φ5 mm，转速为200r/min，时间为3600s，每个试样测试3次。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 氮碳共渗层显微组织

　　图1给出了17-4PH不锈钢在430℃有无稀土添加的等离子体氮碳共渗8h的渗层显微组织。由图1可见，添加稀土使渗层增厚，有无稀土的渗层厚度分别为30μm和44μm，增厚了46.7%，说明稀土起到了明显的催渗效果，且稀土的添加使渗层更加致密，说明稀土的加入能有效改善共渗层的组织。由图1可见，无稀土添加的渗层组织疏松或有气孔，在渗层横断面上还能看到沿晶界的类似微裂纹的腐蚀纹路(如图1(a)中箭头所示)。腐蚀纹路的产生主要与晶界中的氮化物相关，也受晶粒大小和表层氮浓度高低的影响。晶界氮化物愈多，则愈容易出现腐蚀纹路。有稀土添加的渗层中的腐蚀纹路明显减少，仅有少量存在于靠近表面区域( 如图1(b)中箭头所示) 。这是由于稀土元素的存在可以强化晶界，改善氮化物的形状和分布，阻碍氮化物沿晶界析出和聚集长大，并且能改善晶界状态，阻碍晶间腐蚀纹路的形成[10]。