離子滲氮對2Cr13不銹鋼磨損及沖蝕行為的影響

2009-09-24 崔榮星 青島黃河鋼結構有限公司

  對2Cr13不銹鋼在530℃進行了5h離子滲氮;采用自行設計的旋轉沖蝕磨損裝置研究了經離子滲氮的2Cr13不銹鋼在液2固兩相介質中的沖蝕行為;通過球2盤磨損試驗研究了離子滲氮對2Cr13鋼耐磨性能的影響;測定了試樣表面的顯微硬度和沖蝕失重,并用掃描電鏡觀察分析了沖蝕和磨損后試樣表面的形貌。結果表明,離子滲氮可顯著提高2Cr13不銹鋼的表面硬度和耐磨性,但由于氮化鉻在滲氮層中的析出,損耗了鉻,從而顯著降低鋼的耐沖蝕性能。

  2Cr13鋼是一種馬氏體不銹鋼,廣泛應用于塑性要求較高、耐腐蝕及承受沖擊載荷的零件,如汽輪機葉片、水輪機葉片等。然而由于2Cr13不銹鋼硬度低、耐磨性差,在葉片運轉時,氣流或水流中存在粉塵或泥沙,使葉片不但受到腐蝕和空蝕,同時也受到固體質點的沖刷磨損, 使大多數零件過早失效。離子滲氮是提高不銹鋼摩擦學性能最廣泛應用的表面改性技術之一。但是研究工作大都是以奧氏體不銹鋼為主,針對馬氏體不銹鋼特別是抗液固兩相的沖蝕性能方面的研究較少。本文以2Cr13馬氏體不銹鋼為研究對象,對比研究離子滲氮處理對不銹鋼耐磨損和抗液固兩相介質沖蝕性能的影響規律。

1、試驗過程

1.1、試驗條件與方法

  試驗用2Cr13不銹鋼的化學成分(質量分數,%)為0.19C,0.28Si,0.20Mn,0.007S,0.028P,12.65Cr,0.11Cu, 0.12Ni,其余Fe。材料經過高溫淬火和低溫回火處理。試樣表面經研磨拋光,用丙酮超聲波清洗15min,烘干后進行離子滲氮。試驗在LD-250型離子滲氮爐中進行,采用WDL-31型光電溫度計控制溫度,滲氮溫度為530℃,滲氮時間5h。

  用HV-1000型顯微硬度計測量離子滲氮試樣截面的硬度分布,加載時間20s,載荷為0.49N。用H ITACH I S-570型掃描電鏡(SEM)和XJL-03型金相顯微鏡觀察試樣的表面形貌。

1.2、磨損試驗

  在自行研制的球2盤磨損試驗機上進行干摩擦試驗,測定常溫下滲層的摩擦磨損性能。試驗載荷為4.985N,盤固定,球轉動,轉速為110r/min,軌跡半徑10mm,室溫下進行。球摩擦副為Si3N4球,直徑為4.75mm, 研磨后粗糙度平均值Ra≤0.05μm。

1.3、沖蝕試驗

  試驗在自制的沖蝕磨損試驗機上進行,如圖1所示。沖蝕環境介質共兩種,第一種為近中性砂漿介質(溶液pH值6.5~7.0) ,其組成為粒徑0.15~0.25 mm、含量10%的金剛砂懸浮于5%NaCl水溶液中;第二種為酸性砂漿介質,為第一種介質中加入0.5%冰醋酸, pH值3.0~4.5。

沖蝕磨損試驗裝置原理圖

圖1 沖蝕磨損試驗裝置原理圖

  試樣尺寸為<30 mm×10mm,每組3個平行試樣,沖蝕試驗前后試樣經丙酮超聲波清洗,待干燥后用SH IMADZU-AUW220D電子分析天平(精度0.01mg)稱量其質量損失,并計算平均沖蝕速率。沖蝕線速率4m/s,沖蝕時間10h。

2、試驗結果及討論

2.1、滲氮層硬度

  測量表明, 2Cr13不銹鋼基體硬度為289HK,滲氮層硬度最高為1270HK,為基體硬度的4.4倍。滲氮層包括白亮層和擴散層兩部分,分界較明顯(見圖2) ,其中白亮層厚度為89μm。而擴散層與基體之間邊界不明顯。由于擴散層的存在,使得從滲氮層表面到基體有很好的硬度梯度(見圖3) 。這種梯度式硬度和成分的分布不僅保證了滲氮層與基體的良好結合,而且保證了足夠高的承載能力。

2Cr13鋼的離子滲氮層(硬度試驗后)

圖2 2Cr13鋼的離子滲氮層(硬度試驗后)