浅析不锈钢氮化件维氏硬度与渗氮层深度关系

耿延朝，陈炜，邵帅，冯魁，张江楠

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

关键字：渗氮；维氏硬度；马氏体；奥氏体；显微组织

某些使用设备因其应用的环境特殊性，零部件的材料选用从优质的氮化用钢38CrMoAl、35CrMoV逐渐向Cr13型马氏体不锈钢及Cr18Ni9型奥氏体不锈钢发展。但是，在生产过程中发现，采用5公斤力测定氮化硬度时，对于像38CrMoAl、35CrMoV等易氮化用钢来说，测得的硬度与采用显微硬度法测得的硬度基本一致，而对于马氏体不锈钢及奥氏体不锈钢来说，测得的硬度与采用显微硬度法测得的硬度有很大的差异，此时采用5公斤力测得的硬度基本上是其调质时的硬度，而采用显微硬度法测得的硬度均在涉及要求的范围内，目前对于维氏硬度载荷的选择与氮化后的渗层深度的关系的研究比较少。因此，研究维氏硬度载荷的选择与氮化后的渗层深度的关系具有重要的实际意义。笔者以Cr13型马氏体不锈钢和Cr18Ni9型奥氏体为研究对象,分別对材料氮化后的渗层深度与不同维氏硬度载荷进行分析和探讨，以期为合理使用维氏硬度载荷提供一定的试验数据和理论依据。

1 试验材料与方法

试验使用的Cr13型马氏体不锈钢和Cr18Ni9型奥氏体不锈钢经锻造成型，其化学成分如表1所示。

表1 不锈钢的的化学成分 (%)

Cr13型不锈钢淬火采用RJX45，为高温箱式电阻加热炉，工艺为在淬火温度保温后并油冷至室温，淬火温度为980 oC；回火采用RJJ75-6，为专用回火电阻炉，工艺为将淬火后的试样在680 oC保温后并空冷至室温，然后检查Cr13型不锈钢硬度HB 235；Cr18Ni9型不锈钢固溶处理采用RJX45，工艺为在固溶处理温度保温后并水冷至室温，淬火温度为1050 oC，然后检查Cr18Ni9型不锈钢硬度HB 192。

氮化处理是采用辉光离子氮化。零件需要在400-1000 Pa的真空气氛中，采用电流控制炉温，利用工件（阴极）和阳极之间产生辉光放电，通入氨气电离将氮离子飞溅到工件表面，形成氮化物，得到很高的硬度，氮化温度为540 oC，具体工艺见图1所示。然后利用OLYCIAm3金相显微镜观察氮化层的深度，腐蚀剂为马氏试剂（硫酸铜4g、盐酸20ml、蒸馏水20ml），并且分别利用显微硬度法和小负荷维氏硬度计对试件进行硬度分析。

图2 不锈钢氮化工艺曲线

2 试验结果与分析

2.1 不锈钢氮化后的显微组织

不锈钢氮化后的显微组织见图3。从图3中可以明显的看出氮化层和基体。由图3 a中可以测量出Cr13型不锈钢氮化层的厚度0.20 mm，图3 b中可以测量出Cr18Ni9型不锈钢氮化层的厚度为0.07 mm。

图3 不锈钢氮化后的显微组织

2.2 不锈钢氮化后的硬度梯度

分别用载荷为0.2公斤力对Cr13型不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢进行维氏硬度检验，测得渗氮层硬度与渗氮深度的硬度梯度如图4所示。由图4可以看出随着渗氮层深度的增加，渗氮层硬度整体的变化趋势是下降，而且从图4中可以看出Cr13型不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢当渗层深度超过一定的值的时候所得到的渗氮层硬度与基体硬度一致。

图4 不锈钢氮化后硬度梯度

对于Cr13型不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢在不同载荷下进行维氏硬度检测，测得不同负载下Cr13型不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢的维氏硬度如图5所示。HV 800为不锈钢在氮化后的常用标准的硬度值。

在图5中可以看出都采用5公斤力的相同载荷来检测表面硬度，所测得的结果不能真实地反映出氮化处理的质量好坏，根据图5 a所示，对于Cr13型不锈钢渗层厚度在≥0.2 mm，采用5公斤力、2公斤力测量维氏硬度比较合适；根据图5 b所示，对于Cr18Ni9型不锈钢渗层深度在≤0.1 mm，采用1公斤力、500克力测量维氏硬度比较合适。

3 结论

（1）用载荷为0.2公斤力对氮化后的试件测试维氏硬度，随着渗氮层深度的增加，渗氮层硬度梯度的变化趋势是下降。

（2）对于Cr13型不锈钢渗层厚度在≥0.2mm，采用5公斤力、2公斤力测量维氏硬度比较合适，对于Cr18Ni9型不锈钢渗层厚度≤0.10mm，采用1公斤力或500克力的小负荷测量维氏硬度比较合适。