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不锈钢表面低温渗氮层制备及其热稳定性研究

摘要

马氏体不锈钢被广泛应用于航空航天、船舶海洋和石油化工等领域的关键零部件中，

随着装备性能的提升，其硬度和耐磨性受到严重考验。通过常规渗氮技术（温度500℃）

可以提高其硬度和耐磨性，但是会导致其耐蚀性下降，而新型低温渗氮技术可在提高不

锈钢硬度和耐磨性的同时不影响其固有的耐蚀性。由于低温渗氮层中的含氮膨胀α相为

亚稳相，在服役过程中会发生含氮膨胀α相的分解，影响低温渗氮层的性能，而目前关

于低温渗氮层的组织结构演变和性能变化规律尚不清楚。本文以AISI630马氏体沉淀硬

化不锈钢和AISI430铁素体不锈钢为研究对象，进行低温等离子渗氮工艺研究，通过低

温渗氮层组织结构表征和性能研究，获得较佳的低温渗氮工艺；进一步，通过退火处理

模拟低温渗氮层在热环境下服役过程，基于退火前后低温渗氮层组织结构和性能研究，

分析低温渗氮层组织结构演变规律和性能变化趋势，结合理论计算结果，探讨低温渗氮

层热稳定性机理。

实验结果表明：利用低温离子渗氮技术可以在AISI430不锈钢和AISI630不锈钢

的表面制备组织均匀的低温渗氮层。450℃渗氮12h后渗层厚度可达30μm以上，主要

是含氮“膨胀”α相（记α）和少量FeN、FeN相组成；低温渗氮层耐蚀性明显优于

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未处理不锈钢；AISI430不锈钢和AISI630不锈钢表面低温渗氮层硬度最高分别可达

1800HV和1500HV，是未处理不锈钢硬度3倍以上，低温渗氮层硬度呈梯度分布，

0.10.1

有效硬化层厚度可达40μm以上；相比于未处理不锈钢，低温渗氮层的摩擦系数降至0.5

以下，磨损率最高可降低2个数量级，耐磨性显著改善；与常规渗氮层相比，低温渗氮

层保持良好的韧性。

经过等时和等温退火处理以后，AISI430不锈钢和AISI630不锈钢渗氮试样表面

Fe2-3N和高氮含量αN相发生分解，试样表面氮含量降低，氮元素向试样内部扩散，渗层

厚度明显增加，且渗氮层组织更加均匀致密，微裂纹消失；低温退火渗氮层主要是由αN

相和FeN相，和少量的FeO和FeN相组成，而高温退火渗氮层中，除了低温渗氮

4232-3

层中的相，还有CrN相生成；低温退火低温渗氮层硬度降低至1000HV，而高温退火

0.1

低温渗氮层硬度降低至700HV0.1，但是有效硬化层厚度均显著增加；退火低温渗氮层的

耐蚀性性能略有降低，除了较高温度退火和较长时间退火处理的AISI430不锈钢渗氮试

样，其耐蚀性仍然优于未处理试样，退火处理的AISI630不锈钢渗氮试样耐蚀性均优于

未处理试样；退火处理对低温渗氮层的摩擦磨损行为影响不明显，其中摩擦系数变化不

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大甚至略有降低，磨损率可进一步降低，退火前后渗氮试样磨损机制基本相同；退火对

低温渗氮层的韧性影响较大，韧性明显降低。

通过低温渗氮层退火前后表面组织微观结构结合理论计算和实验表征，不锈钢表面

低温渗氮层由三部分构成：表层是化合物层，中间是致密的含氮αN层，靠近基体的是

扩散层。低温渗氮层中稳定的含氮α相有FeN和FeN，退火前后低温渗氮层中

N162161

αN相的氮含量不相同，其中低温退火仅使低温渗氮层中Fe16N2出现少量分解，而高

温退火导致低温渗氮层中Fe16N2大量分解，退火后渗层中主要是低氮浓度αN相。

关键词：不锈钢；低温等离子体渗氮；热稳定性；耐磨性；耐蚀性