對(duì)2Cr13不銹鋼在530℃進(jìn)行了5h離子滲氮;采用自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)沖蝕磨損裝置研究了經(jīng)離子滲氮的2Cr13不銹鋼在液2固兩相介質(zhì)中的沖蝕行為;通過球2盤磨損試驗(yàn)研究了離子滲氮對(duì)2Cr13鋼耐磨性能的影響;測(cè)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(jié)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(yīng)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(jī)葉片、水輪機(jī)葉片等。然而由于2Cr13不銹鋼硬度低、耐磨性差,在葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),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(shí)也受到固體質(zhì)點(diǎn)的沖刷磨損, 使大多數(shù)零件過早失效。離子滲氮是提高不銹鋼摩擦學(xué)性能最廣泛應(yīng)用的表面改性技術(shù)之一。但是研究工作大都是以奧氏體不銹鋼為主,針對(duì)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(duì)象,對(duì)比研究離子滲氮處理對(duì)不銹鋼耐磨損和抗液固兩相介質(zhì)沖蝕性能的影響規(guī)律。

1、試驗(yàn)過程

1.1、試驗(yàn)條件與方法

　　試驗(yàn)用2Cr13不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為0.19C,0.28Si,0.20Mn,0.007S,0.028P,12.65Cr,0.11Cu, 0.12Ni,其余Fe。材料經(jīng)過高溫淬火和低溫回火處理。試樣表面經(jīng)研磨拋光,用丙酮超聲波清洗15min,烘干后進(jìn)行離子滲氮。試驗(yàn)在LD-250型離子滲氮爐中進(jìn)行,采用WDL-31型光電溫度計(jì)控制溫度,滲氮溫度為530℃,滲氮時(shí)間5h。

　　用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量離子滲氮試樣截面的硬度分布,加載時(shí)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(yàn)

　　在自行研制的球2盤磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干摩擦試驗(yàn),測(cè)定常溫下滲層的摩擦磨損性能。試驗(yàn)載荷為4.985N,盤固定,球轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速為110r/min,軌跡半徑10mm,室溫下進(jìn)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(yàn)

　　試驗(yàn)在自制的沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,如圖1所示。沖蝕環(huán)境介質(zhì)共兩種,第一種為近中性砂漿介質(zhì)(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(zhì),為第一種介質(zhì)中加入0.5%冰醋酸, pH值3.0～4.5。

圖1　沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖

　　試樣尺寸為<30 mm×10mm,每組3個(gè)平行試樣,沖蝕試驗(yàn)前后試樣經(jīng)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(zhì)量損失,并計(jì)算平均沖蝕速率。沖蝕線速率4m/s,沖蝕時(shí)間10h。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1、滲氮層硬度

　　測(cè)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(kuò)散層兩部分,分界較明顯(見圖2) ,其中白亮層厚度為89μm。而擴(kuò)散層與基體之間邊界不明顯。由于擴(kuò)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(jié)合,而且保證了足夠高的承載能力。

圖2　2Cr13鋼的離子滲氮層(硬度試驗(yàn)后)