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QPQ行业标准第一起草单位The first drafting unit of QPQ industry standard
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渗氮温度对718镍基合金硬度与磨损性能的影响

时间:2022-04-24 15:28 来源:ccforever<1253705861@qq.com> 点击:1次

一、实验材料与方法
试验材料718镍基合金的主要化学成分( 质量分数,% ) 为: 19Cr、52.5Ni、5Co、9Ti、5Al,余量为Fe,通过线切割加工成10mm×10mm×10mm 的3个试样块,分别用不同的渗氮温度进行QPQ处理,为了保证每个试样统一的表面粗糙度 和光洁度,所有试样表面进行统一的预处理,均用不同等级的金相砂纸研磨,并分别采用丙酮、等离子水和超声波清洗,进行彻底脱脂去油。QPQ处理工艺为: 试 样首先在电阻炉内随炉加热至460℃,并且保温1h; 预热处理后直接移至盐浴渗氮炉内进行渗氮,炉内CNO-的浓度为29% ( 质量分数) ,渗氮温度分别为 590℃、620℃、650℃,渗氮时间5h; 氧化温度为450℃,处理时间均为30 min,然后出炉空冷至室温,清洗随炉带出来的盐液。
在HV-10001S型显微硬度仪上进行显微硬度测试,载荷砝码为0.1kg,保荷时间10s,并且每一个试样块平均测试 硬度至少6次。利用M-2000磨损测试机进行耐磨测试,磨球为40mm的Gr15钢球,转速2000r/min,选择250N的载荷,持续时间保持在3600s。每个试样进行3次测试,通过精度为0.0001g的电子分析天平测量试样的磨损量。
二、硬度分析
QPQ渗氮温度对718镍基合金表面硬度的影响如图1所示。QPQ处理后的试样须磨去表面疏松与黑色氧化层,再用显微硬度计进行硬度测试。图1中的显微硬度变化曲线显示了渗氮层的有效硬度深度大约为0.1mm。不同渗氮温度下QPQ 处理后试样的表面硬度存在明显的区别,且随着渗氮温度的升高,表面硬度呈现先增加后减小的趋势,硬度的变化趋势符合抛物线形状。图1中620℃渗氮处理的试样的表面硬度大,为1200 HV0.1,该硬度几乎比未处理试样的表面硬度大 3倍。对比未处理试样,经QPQ处理后试样的硬度急剧增大主要是由于铬、铁的氮化物形成,如图1所示,渗氮试样的显微硬度梯度曲线也说明了渗氮层与基体硬度存在着明显区别。经渗氮处理后的硬度分布与氮的扩散转变有关,另外,图1中显示随着渗氮温度的提高,试样的表面硬度首先是急剧升高,然后当渗氮温度超过620℃,试样的表面硬度反而得到相应地降低,关于这种现象是由于持续的渗氮处理,造成了金属表面的疏松组织的增多,同时高温促进了晶粒的聚集长大以及大量的合金元素Cr与渗入的氮原子结合成CrN造成表面硬度的降低。

 

图1 不同温度QPQ处理的718镍基合金试样的硬度分布曲线


三、磨损性能分析
图2展示了在不同条件下,未处理的718镍基合金试样与经QPQ处理后的试样在相同的干滑动磨损测试下磨损量的变化,显然未处理试样的磨损量比渗氮后的试样高,而且未处理试样的磨损量高达403.4mg,渗氮试样的磨损量有一个急剧的减少,且当渗氮温度620℃时,其磨损量最小,达到1.2mg,是未处理试样磨损量的 0.3% ,毫无疑问这个结果说明了经QPQ处理的渗氮试样有着优良的耐磨性。因此,从图2中可以看出,在与其它的渗氮温度相比,在620℃时经QPQ处理的试样的耐磨性能更好。这一结果同时也得出一个结论: 在干滑动摩擦磨损测试下,经QPQ处理的镍基合金的耐磨性与其渗氮温度有关,且经过QPQ处理后试样表面的摩擦因数也得到相应地减小。随着温度的升高,铬的氮化物和铬铁氧化物增加或许是耐磨性能提高的主要因素。随着热扩散和盐浴反应的发生,越来越多的氮化物和氧化物在基体表面生成,例如Fe4N、CrN、Fe3O4等;这些说明了经QPQ复合盐浴处理后,试样表面主要由高硬度和低摩擦因数的铬铁氧化物和氮化物组成,这些化合物使QPQ处理的试样得到更高的耐磨性。同时也表明经QPQ处理后的高耐磨性与图1中试样获得的高表面硬度的结果相一致。

 

图2 未处理及经不同温度渗氮处理的718镍基合金试样磨损测试后的磨损量

 

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