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由于不锈钢的表面硬度较低、耐磨性较差制约了不锈钢在工具、轴承等方面的应用,而不锈钢经渗氮处理后表层形成具有高硬度的渗氮层,可显著提高其表面的耐磨性,因此本文选用具有代表性的2Cr13马氏体不锈钢和0Cr18Ni9奥氏体不锈钢作为基体材料,开展不锈钢的气体渗氮研究。采用透射电镜、扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、材料力学试验机、电化学工作站及摩擦试验机系统地研究了渗氮时间及温度、冷却方式和后续回火处理工艺对不锈钢气体渗氮试样微观组织结构和性能的影响。主要得到以下结论:(1)随着渗氮温度的升高,2Cr13钢渗层的微观组织结构发生了变化。450℃渗氮试样无化合物层,且渗层不均匀;500℃渗氮试样形成了致密的化合物层,且致密化合物层的厚度不随时间的延长而改变,但扩散层随时间延长逐渐增厚;550℃渗氮试样的化合物层存在大量孔洞。500℃渗氮试样的扩散层组织主要由含有大量位错及位错胞的板条马氏体和大量的纳米氮化物析出相组成,其中晶内和亚晶界上的析出相主要为Cr N相,板条马氏体晶界析出相主要为ε-Fe2-3N或者(Cr,Fe)2N相。当渗氮温度升高至550℃时,马氏体发生了回复,Cr N析出相生长成纳米厚度的大片状,扩散层组织转变成由α-Fe和Cr N组成的片状珠光体形态。(2)2Cr13钢渗氮后试样的表面硬度、耐磨性、抗弯强度及抗拉屈服强度大幅提高,抗腐蚀性能略有降低,而渗氮层的韧性大幅降低。2Cr13钢气体渗氮试样硬度随渗氮温度的升高先升高后下降,在500℃达到峰值硬度。2Cr13钢渗氮后的冷却方式和温度低于420℃的回火处理基本不改变渗氮层的微观组织,其渗层硬度都保持在1000HV0.1以上。镍钴磷合金化学镀处理可大幅度提高渗氮试样在酸性环境下的抗腐蚀性能。(3)0Cr18Ni9钢经450–610℃气体渗氮4h后,其渗层的相结构随渗氮温度的变化而改变,当渗氮温度≤500℃时,渗氮层较薄(约10μm)且表面相结构主要是S相;当渗氮温度≥520℃时,表面相结构转变为Cr N、γ′-Fe4N等氮化物相,且随温度升高,Cr N、γ′-Fe4N等氮化物相含量增加。渗层厚度随渗氮温度的升高而增厚。渗层硬度随温度升高先增加后降低,500℃渗氮试样的表面硬度值能达到1000HV0.1以上。对0Cr18Ni9不锈钢而言,450℃渗氮试样的抗腐蚀性能最佳。