马氏体不锈钢硬面合金氮合金化的研究

针对目前抗磨硬面合金碳当量高、抗焊接裂纹性能差、韧性较低等问题，以马氏体不锈钢为研究对象，提出利用氮代替部分碳，采用多种固氮元素Ti、Nb、V微合金化的方法，并通过优化添加合金元素含量，配合焊接工艺参数等措施，在提升硬面合金抗焊接裂纹性能的同时，增强其韧性与耐磨性能，形成高抗裂高耐磨的氮合金化马氏体不锈钢硬面合金。利用扫描电镜、透射电镜和差热分析等分析测试手段，深入分析硬面合金氮合金化的冶金行为，研究氮碳化物形成、分布规律及其对硬面合金的强韧化机理；进行耐磨性试验，研究氮合金化硬面合金的抗磨机理；项目预期将揭示氮在硬面合金中的作用机理，阐明氮碳化物的类型、分布、尺寸与耐磨性能的内在关系，实现硬面合金韧性和耐磨性能的同步提高，为氮合金化硬面合金系列材料的开发和应用奠定良好的理论基础。项目的研究成功对于提高金属结构耐磨性能、延长其使用寿命具有重要意义。

氮与碳均为间隙溶质原子，相比碳原子，氮在铁基金属固溶体中分布更均匀，更易形成弥散的细小强化相。本研究利用氮代替高碳马氏体不锈钢硬面合金中部分碳进行合金化，从而使硬面合金获得所要求的性能。结果发现，（1）氮在焊缝中的最终总含量，不仅与固氮合金元素(Nb、V、Ti）含量有关，而且也与焊接工艺参数，氮从焊接熔池中的析出条件等有关，氮合金化马氏体不锈钢硬面合金合理氮含量为0.10-0.13%。（2）氮合金化马氏体不锈钢硬面合金中硬质相的析出特性受Nb、Ti、V碳氮化物析出次序及其质量分数的显著影响。经过热力学计算分析，硬面合金中析出相的可能性大小顺序为：TiN＞TiC＞NbN＞NbC＞VN＞VC，先行析出的析出相往往作为熔池金属中非自发晶核的质点，成为其它析出相的连续依附生长点，最终形成MX型复合碳氮析出物（M=Nb、V、Ti；X＝C、N）。焊态和回火热处理状态下具有不同的数量、形状和尺寸，所有的碳氮析出物尺寸均小于3.5μm。（3）氮合金化硬面合金中碳氮化物的弥散析出，起到明显的细化晶粒和沉淀强化作用，使得板条马氏体即具有较高的强度，又保持良好的韧性；同时由于碳氮化物具有很高的硬度，能够有效抵御磨损粒子的破坏作用，进而能明显提高硬面合金的耐磨损（磨粒磨损、高温磨损、冲蚀磨损）性能。（4）硬面合金进行氮合金化后，Nb、V、Ti在硬面合金中优先于Cr与碳、氮结合，固氮定碳形成弥散分布的碳氮化物，避免了富Cr碳化物的形成，具有稳定Cr元素的作用，提高硬面合金的腐蚀电位；同时晶粒细化后晶界的总面积增加，可使晶界上杂质浓度降低，提高耐晶界腐蚀能力，发生点蚀时蚀坑小且分散，进而改善不锈钢的耐点蚀性能。