等離子體源滲氮AISI316奧氏體不銹鋼工藝及其性能研究.pdf

1、本文采用等離子體源滲氮技術(shù)改性AISI316奧氏體不銹鋼，研究了滲氮工藝與滲氮層成分、結(jié)構(gòu)，以及耐磨抗蝕性能的關(guān)系，在優(yōu)化的工藝條件下獲得了單一結(jié)構(gòu)的高氮面心相(γN）改性層，發(fā)現(xiàn)了γN相滲氮層存在摩擦誘發(fā)馬氏體相變磨損機(jī)制及其轉(zhuǎn)變條件，建立了γN相滲氮層的磨損圖，研究了γN相滲氮層電化學(xué)腐蝕性能及鈍化膜的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體特性，揭示了γN相雙層鈍化膜結(jié)構(gòu)及其耐蝕機(jī)理。
　　等離子體源滲氮裝置是將金屬屏與直流脈沖電源相連，由陰極金屬屏與陽(yáng)

2、極爐體構(gòu)成等離子體源，置于金屬屏內(nèi)的工件處于懸浮電位或施加一定的負(fù)偏壓。滲氮溫度350～500℃、工作氣壓300～500 Pa、試樣置于懸浮電位或施加200～400 V負(fù)偏壓、試樣距陰極屏距離20～200 mm。利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化的單一γN相滲氮層的形成條件是滲氮溫度450℃、工作氣壓250～350 Pa、試樣負(fù)偏壓200～300 V，距陰極屏高度20～100mm，γN相滲氮層厚度15～18μm、表面粗糙度Ra0.111～0.158μ

3、m、峰值氮濃度20～25 at.％、表面顯微硬度HV01N14.6～15.6 GPa。
　　在載荷2～8 N、滑動(dòng)速度0.15～0.22 m/s的球-盤式干摩擦條件下，等離子體源滲氮溫度450℃、工作氣壓300 Pa、6h改性AISI316奧氏體不銹鋼γN相滲氮層比磨損率由原始AISI316奧氏體不銹鋼的4.3×10-5 mm3/N·m降低至4.7×10-6 mm3/N·m，顯著提高耐磨性能。γN相滲氮層的磨損機(jī)制隨載荷的增加由氧

4、化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，主要表現(xiàn)為平滑無(wú)裂痕且覆蓋著一層不連續(xù)黑色氧化膜的形貌特征轉(zhuǎn)變?yōu)橐运苄宰冃螢橹鞯睦鐪闲蚊蔡卣?。透射電子顯微鏡確定氧化磨損產(chǎn)物為ε-Fe2O3相，磨粒磨損產(chǎn)物為密排六方結(jié)構(gòu)的含氮馬氏體相(εN')，表明γN相滲氮層摩擦過程中出現(xiàn)摩擦應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變磨粒磨損機(jī)制，摩擦過程中氧化反應(yīng)向應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變應(yīng)滿足△G°γN→εN'-△G°oxid≤0的熱力學(xué)條件。建立的γN相滲氮層磨損圖可分為氧化磨損和磨粒磨損兩個(gè)區(qū)域，氧

5、化磨損區(qū)域的磨損體積為2×10-3～3×10-2mm3，摩擦系數(shù)和比磨損率隨載荷增加均略微降低，摩擦界面的氧化膜起到有效的保護(hù)和潤(rùn)滑作用;磨粒磨損區(qū)域的磨損體積為4×10-2～1×10-1mm3，摩擦系數(shù)和比磨損率隨滑動(dòng)速度增加均降低，更高的滑動(dòng)速度使硬質(zhì)磨粒難以捕捉和嵌入摩擦界面處，避免發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損。
　　在3.5％NaCl溶液中等離子體源滲氮溫度450℃、工作氣壓300 Pa、6h改性AISI316奧氏體不銹鋼γN相滲氮

6、層的陽(yáng)極極化曲線呈現(xiàn)活化溶解-自鈍化-過鈍化溶解過程，未發(fā)生孔蝕擊穿，自腐蝕電位比原始AISI316奧氏體不銹鋼提高224mV，維鈍電流密度降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，耐蝕性能顯著提高。γN相滲氮層和原始AISI316奧氏體不銹鋼鈍化膜的Nyquist圖均呈現(xiàn)單容抗弧特征，但γN相滲氮層鈍化膜的容抗弧直徑更大，鈍化膜電阻為1.377×106Ω·cm2，比原始AISI316奧氏體不銹鋼提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。該鈍化膜是一種具有n型半導(dǎo)體特征的Fe(OH)