2Cr13不锈钢表面固相渗碳后的组织与性能

缪剑波

2Cr13不锈钢具有高强度、高耐蚀性和抗氧化性好等优点，被广泛用作承受高负荷零件，如汽轮机叶片、热油泵轴和轴套及叶轮水压机阀片等。但其使用过程中时常出现硬度不够、严重磨损等问题，又制约了其进一步的应用。零件的实际使用寿命主要取决于其耐磨性，表面强化是提高性能最直接有效的方法，与其他强化技术相比，渗碳处理可以显著提高材料的表面硬度与耐磨性，常用工艺包括离子渗碳法、气体渗碳法和盐浴法等。但是，离子渗碳存在渗碳不均匀的问题，盐浴法还不成熟，气体渗碳方法比较复杂，且均存在对设备要求高、工艺复杂、成本较高等问题。传统的固相渗碳法工艺简单，适合小型零部件渗碳，但渗碳速度慢，为此常采用加入碳酸盐催渗剂的方法来提高渗碳速度，但又容易在表面产生阻挡层，对渗碳速度有不利影响，且渗层质量不易控制。为此，研究人员采用一种新颖的固相渗碳方法进行渗碳：将2Cr13不锈钢和灰口铸铁包在一起，在一定温度下使灰口铸铁中的片状石墨扩散至2Cr13不锈钢中，与分散均匀的Cr原子进行原位反应，在不锈钢表面生成复合渗碳层；C原子体积小，在基体中可以以间隙机制扩散，扩散速度快，Cr原子在基体中不易扩散，且Cr原子与C原子亲和力很强，灰口铸铁中的C原子在高温下快速扩散到基体中Cr原子的位置，与Cr原子以及基体中的Fe原子反应生成碳化物；利用XRD、SEM、微观硬度计、ML-100干式销盘两体磨料磨损试验机及电化学方法对渗碳层的物相组成、微观组织、显微硬度和耐磨、耐蚀性能进行了研究。

     将2Cr13不锈钢和HT300表面打磨平整，并用丙酮与酒精清洗。将两者对齐紧密接触在一起，HT300在上方，用耐火纸包好压实，放入石墨坩埚中固定，置于1400X管式炉中，以5mL/min的流量通入氩气保护，以7℃/min的加热速率升温至1120℃，保温10h，随后降温至850℃，保温1h，水冷。
物相分析在XRD-7000X射线衍射仪上进行。组织观察在JSM-6700F型扫描电镜上进行。显微硬度测试在TUKON2100型显微硬度计上进行。采用经典的三电极法以CS350电化学工作站进行电化学测试。试验结果表明：
（1）以1120℃保温10h，850℃保温1h，可利用灰口铸铁中的片状石墨对2Cr13不锈钢进行固相渗碳，生成由（Fe，Cr)7C3颗粒增强的复合渗碳层，晶内碳化物呈岛状弥散分布，晶界碳化物断续分布。
（2）渗碳层显微硬度最高值出现在2Cr13不锈钢表面，达到1082HV1N，并随着距表面距离的增加而逐渐降低。
（3）渗碳层的耐磨性约为2Cr13基材的5倍，但其耐蚀性有所下降。