离子渗氮温度对W9Mo3Cr4V钢渗层组织及性能的影响

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头与被焊接材料之间发生剧烈的热机械作用，需要承受剧烈摩擦磨损、高温、冲击和交变载荷等交互作用。在这种严苛的工作条件下，要求搅拌头必须具有较高的强度、硬度，同时还要求其具有良好的冲击韧性、抗弯曲疲劳、高耐磨性和红硬性等。

目前，普遍选用钢、硬质合金和聚晶立方渗氮硼等多种材料及相应的工艺手段来制造搅拌头。其中，采用工模具钢通过淬火回火热处理来制造搅拌头工艺相对简单且成本较低，因而被广泛应用；但其耐磨性差，试样寿命短，很难满足搅拌摩擦焊的工业化生产要求。到目前为止，国内外对钢制搅拌头的研究集中在选材、整体热处理和对搅拌头形状尺寸优化等方面，而对搅拌头进行表面改性的研究报道较少。

通过离子渗氮对工模具钢进行表面改性，可以在钢的表面形成渗碳物层，能显著提高钢的表面耐磨性和红硬性，且成本较低。因此，离子渗氮可能成为制造成本低、高性能、长寿命的搅拌头的有效手段。辽宁石油化工大学金属材料工程系的研究者研究了离子渗氮温度对W9Mo3Cr4V钢搅拌头组织和性能的影响，以期为制备高硬度耐磨的氮化层搅拌头提供参考。

采用W9Mo3Cr4V钢为搅拌头材料，化学成分（质量分数，%）为C0.810，Si0.350，Mn0.310，P0.021，S0.016，W8.690，Mo2.840，Cr3.990，V1.380，Ni0.140，Cu0.130，Fe余量。

根据热处理手册，对W9Mo3Cr4V钢先进行850℃预热10min，再加热到1220℃保温15min，随后油冷的淬火热处理，再进行560℃/2h下2次回火热处理。W9Mo3Cr4V钢回火后的显微组织为回火马氏体和均匀分布的颗粒状碳化物，硬度为61.5HRC。对经淬火和回火后的W9Mo3Cr4V钢进行冲击试验，其冲击韧性为31J/cm2，可满足搅拌头的冲击韧性要求。研究结果表明：

（1）W9Mo3Cr4V钢随渗氮温度增加，渗氮层厚度呈逐渐增加的趋势。

（2）W9Mo3Cr4V钢随离子渗氮温度升高，渗氮层硬度不断升高，这是由于渗氮温度较低时，表层就有硬度很高的ε相（Fe3N)，其晶格常数比基体大得多，当其与基体为共格关系时，会与基体晶格产生弹性畸变，渗氮层体积膨胀形成残余压应力，且渗氮层中的位错运动受阻，引起渗氮层硬度升高。随渗氮温度升高，渗氮物相ε相（Fe3N)衍射峰强度逐渐降低，而γ’相（Fe4N)衍射峰强度逐渐升高，渗氮层厚度不断增加，且渗氮物均匀析出弥散强化，也导致渗氮层硬度不断升高。