钝化膜与氮势对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢气体渗氮行为及摩擦学性能的影响

《Lubricants》：Effect of Passivation Film and Nitrogen Potential on Gas Nitriding Behavior and Tribological Performance of 1Cr11Ni2W2MoV Stainless Steel Kai Wang, Lei Zhang, Tong Zhang, Qingkun He, Ling Qiao and Jinquan Sun

　　

马氏体不锈钢表面形成的致密钝化膜（DPF）可有效提升耐腐蚀性，但在气体渗氮过程中会阻碍活性氮原子的吸附与扩散。本研究通过控制固溶处理冷却速率，克服了1Cr11Ni2W2MoV不锈钢钝化膜对气体渗氮的不利影响，成功制备出渗氮层，并系统探究了氮势对渗氮层微观结构、物相组成及摩擦学性能的作用规律。研究发现，固溶冷却速率为110±5℃/s时，表面形成致密钝化膜，抑制氮扩散，无渗氮层生成；当冷却速率降至80±5℃/s时，晶界析出碳化铬，破坏钝化膜致密性与完整性，实现气体渗氮。高氮势可促进氮扩散、增加渗氮层厚度，但过高氮势会导致晶界氮富集，引发微裂纹并降低化合物层力学完整性。氮势为1.0时，可获得均匀无裂纹、表面硬度超1000 HV0.1的优质渗氮层。摩擦学测试结合磨损表面扫描电镜观察表明，气体渗氮较基体显著降低摩擦系数与磨损率；渗氮样品中H-10耐磨性最优，H-23因微裂纹相关脆性表现较差。磨损机制由基体的严重磨粒-黏着磨损转变为渗氮样品的轻微磨粒磨损。结果表明，通过热处理调控钝化膜完整性并结合氮势优化，是实现马氏体不锈钢高质量气体渗氮、提升摩擦学性能的有效策略。

本研究针对1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢在航空航天涡轮叶片等部件服役中面临的摩擦磨损问题，聚焦其表面致密钝化膜阻碍气体渗氮的行业痛点展开。该钢种虽具备优异强度与耐蚀性，但传统气体渗氮需依赖机械打磨或化学腐蚀去除钝化膜，存在工艺复杂、易损伤工件或引发安全隐患的局限。现有研究对固溶冷却速率调控钝化膜完整性、及其与氮势耦合影响渗氮层演化与性能的机理尚不明确，因此研究人员提出通过热处理参数调控钝化膜的新思路，旨在为不锈钢气体渗氮提供理论与技术支撑，相关成果发表于《Lubricants》。

研究采用的关键技术方法包括：以1Cr11Ni2W2MoV不锈钢为实验材料，通过1050℃固溶处理后分别采用110±5℃/s与80±5℃/s两种冷却速率调控钝化膜状态，经670℃回火后于600℃开展不同氮势（1.0、1.8、2.3）的气体渗氮处理；采用光学显微镜与场发射扫描电镜表征微观结构，X射线衍射分析物相组成，显微硬度计测试截面硬度分布，往复式摩擦磨损试验机结合三维形貌仪与能谱分析评估摩擦学性能。

研究结果如下：

3.1 固溶冷却速率对钝化膜的影响

通过硫酸铜置换反应验证发现，110±5℃/s冷却样品表面无铜沉积，钝化膜致密；80±5℃/s冷却样品出现铜沉积，钝化膜完整性受损。无需机械去膜即可实现渗氮，证实降低冷却速率促进晶界碳化铬析出与局部贫铬，削弱钝化膜连续性，为氮原子扩散提供通道。

3.2 氮势对渗氮层微观结构与物相组成的影响

高氮势（2.3）下渗氮层厚度达286μm，但晶界氮富集引发微裂纹；氮势降至1.0时，渗氮层均匀无裂纹。X射线衍射与定量拟合显示，渗氮层主要由Fe_2-3N、Fe₄N与少量CrN组成，随氮势升高，Fe_2-3N占比从41.2%升至65.4%，Fe₄N从43.7%降至22.3%。显微硬度测试表明，所有渗氮层硬度均超1000 HV_0.1，其中氮势1.0的H-10样品硬度最高（1021 HV_0.1），因低氮势下CrN弥散分布强化了弥散强化效应。

3.3 耐磨性测试

摩擦学测试显示，基体摩擦系数为0.72-0.75，渗氮样品降至0.60-0.70且更稳定；基体磨损率为1.1×10^-5mm³·N^-1·m^-1，渗氮样品降低一个数量级，H-10磨损率最低。磨损机制分析表明，基体以严重磨粒-黏着磨损为主，伴随塑性变形与剥落；渗氮样品因高硬度表层抑制犁沟效应，转为轻微磨粒磨损，H-23因微裂纹出现局部剥落，耐磨性略低于H-10与H-18。

讨论与结论部分指出，本研究突破了传统渗氮需额外去膜的局限，证实固溶冷却速率通过调控碳化铬析出与贫铬区改变钝化膜完整性，是决定气体渗氮可行性的关键；氮势通过影响物相组成与晶界行为，决定渗氮层的力学性能与耐磨性。研究结论可概括为三点：第一，固溶冷却速率110±5℃/s时钝化膜致密阻碍渗氮，80±5℃/s时因碳化铬析出实现无额外去膜渗氮；第二，高氮势促进氮扩散但易引发晶界脆化微裂纹，低氮势可获得均匀稳定渗氮层；第三，气体渗氮显著提升硬度与耐磨性，氮势1.0的H-10样品综合性能最优，磨损机制由严重复合磨损转为轻微磨粒磨损。该研究为马氏体不锈钢气体渗氮工艺优化提供了重要的理论与应用参考。