李廣宇,曾心睿,王 楠,谷雪忠,方子奇

(營口理工學(xué)院機(jī)械與動力工程系,營口 １１５０１４)

摘 要:采用等離子體源滲氮技術(shù)對 AISI３１６奧氏體不銹鋼進(jìn)行４５０ ℃×６h改性處理,通過干摩擦磨損試驗(yàn)對比研究了該不銹鋼基體和表面改性層在不同載荷下與Si３N４ 陶瓷球摩擦副對磨時(shí)的摩擦磨損行為,觀察了磨損形貌,并對其磨損機(jī)制進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:等離子體源滲氮后,試驗(yàn)鋼表面形成了厚度約１７μm 的單一面心立方結(jié)構(gòu)的高氮 γN 相改性層,改性層中氮元素的原子分?jǐn)?shù)為１５％~２０％,最大顯微硬度約１５１０HV０．０１;與基體相比,在相同載荷下γN 相改性層具有相當(dāng)或更低的摩擦因數(shù),且比磨損率均降低一個(gè)數(shù)量級以上,耐磨性能顯著提高;基體的磨損機(jī)

制主要為黏著磨損,而γN 相改性層在較低載荷(２~４N)下的磨損機(jī)制主要為氧化磨損,在較高載

荷(６~８N)下的主要為磨粒磨損.

關(guān)鍵詞:等離子體源滲氮;奧氏體不銹鋼;γN 相;摩擦磨損;磨損機(jī)制

０ 引 言

奧氏體不銹鋼具有良好的力學(xué)性能、可加工性能與耐腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、醫(yī)療核電等領(lǐng)域.但是,奧氏體不銹鋼的硬度偏低、耐磨性能差,無法滿足磨損部件及其在高壓、高流速、腐蝕性介質(zhì)、含有固體顆粒介質(zhì)等工況下使用的要求,因此如何提到奧氏體不銹鋼的硬度和耐磨性是學(xué)者們研究的重點(diǎn).已有研究表明,低溫(２００~

５００ ℃)滲氮改性技術(shù),例 如 低 溫 氣 體/離 子 滲 氮、氮離子淹沒 注 入 技 術(shù)、等 離 子 體 基 低 能 離 子 注 入技術(shù)等已成功實(shí)現(xiàn)對奧氏體不銹鋼的改性[１Ｇ４],且改性后的奧氏體不銹鋼表面形成了高氮含量的面心立方結(jié)構(gòu)γN 相層,改性層在不降低甚至提高奧氏體不銹鋼耐蝕性能 的 同 時(shí) 兼 具 高 硬 度(９００~２０００HV)、良好的耐磨性能及抗疲勞性能[４Ｇ７].

SUN 等[８]研究表明,低溫等離子體滲氮 AISI３１６奧氏體不銹鋼表面獲得的 γN 相改性層在干摩擦條件下分別與軸承鋼球和鋁球?qū)δr(shí),其磨損機(jī)制為氧化磨損,且磨損表面和亞表面均未觀察到塑性變形.BLAWERT 等[９]通過等離子體淹沒氮離子注入技術(shù)改性 X６CrNiTil８１０ 奧氏體不銹鋼,獲得的γN 相改性層在較高加載載荷下與軸承鋼球?qū)δr(shí),磨損表面有氧化層存在,磨損機(jī)制為氧化磨損.DAHM 等[１０]采用反應(yīng)濺射沉積技術(shù)在 AISI３１６奧氏體不銹鋼表面制備了３~４μm 厚的 γN 相耐磨涂層,與紅寶石球?qū)δr(shí)的磨損機(jī)制為氧化磨損,并且涂層中氮含量的增加促進(jìn)了磨損表面的氧

化反應(yīng).LI等[１１]研究表明,活性屏等離子體滲氮奧氏體不銹鋼γN 相改性層在低滑動速度下的磨損

機(jī)制為氧化磨損和微觀磨粒磨損.目前,有關(guān) γN相改性層的研究多集中在其制備方法[１Ｇ３]及改善滑動和微動磨損性能[６Ｇ１１]等方面,而有關(guān)其摩擦磨損行為的研究并不系統(tǒng),尤其是磨損機(jī)制的研究較少.為了系統(tǒng)地分析γN 相改性層的摩擦磨損行為并揭示其磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)變過程,作者采用等離子體源滲氮技術(shù)對 AISI３１６奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行改性處

理,通過干摩擦磨損試驗(yàn)對比研究了基體和改性層在不同載荷下與Si３N４ 陶瓷球摩擦副對磨時(shí)的摩擦磨損行為,采用掃描電子顯微鏡觀察磨損形貌,并對其磨損機(jī)制進(jìn)行了分析,為 γN 相改性層在磨損部件上的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù).

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為商用 AISI３１６奧氏體不銹鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為０．０６C,１．８６Mn,１９．２３Cr,１１．２６Ni,２．２６Mo,余 Fe.采用線切割截取尺寸為?２０mm×６mm 的試樣,經(jīng)SiC金相砂紙打磨和粒徑為１．５μm 的金剛石拋光膏拋光后,在丙酮溶液中超聲清洗１５min,冷風(fēng)吹干.在由大連理工大學(xué)表面工程實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的等離子體源滲氮裝置中進(jìn)行滲氮處理,滲氮溫度為４５０℃,純 NH３ 氣氛,壓力為３００Pa,試樣置于懸浮電位,滲氮處理６h.

采用由１０gCuSO４、５０mL HCl和５０mL H２O組成的 Marble試劑對等離子體源滲氮后試驗(yàn)鋼表面

改性層橫截面進(jìn)行腐蝕,在LEICA MEF４A型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織;采用SHIMADZUEPMAＧ１６００型電子 探 針 分 析 改 性 層 的 氮 元 素 含 量 分 布;使 用SHIMADZUXRDＧ６０００型 X射線衍射儀(XRD)分析改性層的物相組成;用 HXＧ１０００TM 維氏硬度計(jì)測改性層橫截面的顯微硬度分布,載荷為０．１N,加載時(shí)間１５s,測３次取平均值.

在 WTMＧ２E型球Ｇ盤式磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn),試樣尺寸為?２０mm×６mm,摩擦副為?４mm 的Si３N４ 陶瓷球,加載載荷為２~８N,滑動速度 為 ０．２２m??s－１,滑 動 距 離 為 ８００ m;利 用SurfcorderET４０００A 型輪廓儀測磨痕的橫截面輪廓,用 OriginalPro軟件計(jì)算磨痕二維輪廓的面積,乘以磨痕周長得到磨損體積,將磨損體積除以載荷

和滑動距離即可得到比磨損率;采用JSMＧ５６００LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦磨損試驗(yàn)前后改性層表面的磨損形貌.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 改性層的組織、成分和物相組成由圖 １ 可 知,試 驗(yàn) 鋼 表 面 改 性 層 的 厚 度 約１７μm,改性層與基體間的界面較明顯,經(jīng)腐蝕后呈白亮色,這說明改性層具有良好的耐腐蝕性能.

由圖２可知:在距表面１５μm 的范圍內(nèi),改性層中氮元素的原子分?jǐn)?shù)為１５％~２０％,之后隨著距表面距離的增加,氮元素的原子分?jǐn)?shù)迅速降低;當(dāng)距表面距離超過１７μm 后,氮元素原子分?jǐn)?shù)基本保持不變,為基體中氮元素的含量.由圖３可知,改性層由單一面心立方結(jié)構(gòu)的γN相組成,未發(fā)現(xiàn)其他相的衍射峰,這種單一相結(jié)構(gòu)的改性層使得奧氏體不銹鋼表面具有良好的耐腐蝕性能.LEI等[１２]研究表明,γN 相具有較高的形變層錯(cuò)密度和較低的孿晶層錯(cuò)密度,高的形變層錯(cuò)密度導(dǎo)致 X射線衍射峰強(qiáng)度衰減和高指數(shù)晶面衍射峰消失,并且形變層錯(cuò)導(dǎo)致 X 射線衍射峰發(fā)生位移,而孿晶層錯(cuò)則導(dǎo)致 X射線衍射峰呈非對稱性

加載載荷條件下具有與基體相當(dāng)或更低的摩擦因數(shù).由圖６可知:隨著載荷的增加,試驗(yàn)鋼基體的比

磨損率幾乎呈線性增加趨勢,由４．５×１０－５mm３ ??N－１??m－１增加至 １７．８×１０－５ mm３ ??N－１ ??m－１;γN 相改性層的比磨損率隨著載荷的增加先降低后升高,其變化規(guī)律與摩擦因數(shù)的變化規(guī)律一致,并且γN 相改性層的比磨損率呈緩慢變化趨勢,在相同載荷下的比磨損率比基體的均低一個(gè)數(shù)量級以上,因此耐磨性能顯著提高.

２．３ 磨損形貌

由圖７~圖１０可知:隨著載荷的增加,試驗(yàn)鋼基體的磨痕變寬,磨損表面更加粗糙,載荷為 ２N時(shí),磨損表面存在明顯的塑性變形和黏著磨損痕跡,

隨著載荷的增加,磨損表面出現(xiàn)犁溝形貌,并且黏著撕裂痕跡增多,基體表面發(fā)生了嚴(yán)重的磨損和材料的去除,這表明基體與 Si３N４ 陶瓷球?qū)δr(shí)的磨損機(jī)理以黏著磨損為主,同時(shí)伴有大量的塑性變形和微觀切削;在較低載荷(２,４N)下,γN 相改性層磨損表面覆蓋著一層不連續(xù)的氧化膜,表面平滑無裂痕,這表明在較低載荷下,γN 相改性層的磨損機(jī)制主要

為氧化磨損;在較高載荷(６,８N)下,γN 相改性層的磨痕寬度顯著增大,出現(xiàn)了明顯的塑性變形,磨痕內(nèi)部可以觀察到脫落的磨粒和斷裂的疤痕,脫落的磨粒被壓入摩擦的接觸面內(nèi),使磨損表面產(chǎn)生了擦傷和沿滑動方向的犁溝形貌,這表明在較高載荷(６,８N)下,γN 相改性層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損.在干摩擦磨損試驗(yàn)過程中,由于試驗(yàn)鋼基體的硬度偏低,在連續(xù)塑性剪切變形的作用下,在一定深度處出現(xiàn)位錯(cuò)堆積,形成裂紋,進(jìn)而發(fā)生斷裂,摩擦副之間的傳質(zhì)導(dǎo)致大量材料的去除,因此試驗(yàn)鋼基體的耐磨性較差.γN 相改性層的硬度較高,能夠提供高的承載能力,抵抗摩擦過程中的塑性變形和摩擦副的微觀切削,使得摩擦界面處僅發(fā)生氧化磨損,從而提高試驗(yàn)鋼的耐磨性能.當(dāng)載荷由２N 增加到４N 時(shí),磨損表面的氧化膜增多,起到了有效的保護(hù)和潤滑作用,因此 γN 相改性層的摩擦因數(shù)和比磨損率均隨載荷的增加而有所降低,磨損機(jī)制為氧化

磨損.隨著載荷的進(jìn)一步增大,γN 相改性層中塑性剪切變形和疲勞變形的累積使其表層和亞表層出現(xiàn)微裂紋,在高載荷作用下 γN 相改性層發(fā)生斷裂并產(chǎn)生硬質(zhì)磨粒,硬質(zhì)磨粒嵌入摩擦界面并隨著摩擦副而運(yùn)動,導(dǎo)致改性層表面形成平行于滑動方向的

犁溝形貌,磨損機(jī)制由氧化磨損變?yōu)槟チＤp,摩擦

因數(shù)和比磨損率增大.

３ 結(jié) 論

(１)對 AISI３１６奧氏體不銹鋼進(jìn)行４５０℃×６h

的等離子體源滲氮處理后,其表面形成了單一面心

立方結(jié)構(gòu)γN 相改性層,改性層的厚度約１７μm,氮

元素的原 子 分 數(shù) 為 １５％ ~２０％,最 大 顯 微 硬 度 約

１５１０HV０．０１.

(２)與奧氏體不銹鋼基體相比,在相同載荷下

γN 相改性層具有相當(dāng)或更低的摩擦因數(shù),且比磨損

率均降低一個(gè)數(shù)量級以上,耐磨性能顯著提高.

(３)奧氏體不銹鋼基體的磨損機(jī)制主要是黏著

磨損,而γN 相改性層在較低載荷(２~４N)下的磨

損機(jī)制主要為氧化磨損,在較高載荷(６~８N)下的

主要為磨粒磨損.