等离子体源渗氮奥氏体不锈钢的摩擦磨损行为

0 引 言

奥氏体不锈钢具有良好的力学性能、可加工性能与耐腐蚀性能，广泛应用于石油化工、航空航天、医疗核电等领域。但是，奥氏体不锈钢的硬度偏低、耐磨性能差，无法满足磨损部件及其在高压、高流速、腐蚀性介质、含有固体颗粒介质等工况下使用的要求，因此如何提到奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性是学者们研究的重点。已有研究表明，低温(200～500 ℃)渗氮改性技术，例如低温气体/离子渗氮、氮离子淹没注入技术、等离子体基低能离子注入技术等已成功实现对奥氏体不锈钢的改性[1-4]，且改性后的奥氏体不锈钢表面形成了高氮含量的面心立方结构γN相层，改性层在不降低甚至提高奥氏体不锈钢耐蚀性能的同时兼具高硬度(900～2 000 HV)、良好的耐磨性能及抗疲劳性能[4-7]。

SUN等[8]研究表明，低温等离子体渗氮AISI 316奥氏体不锈钢表面获得的γN相改性层在干摩擦条件下分别与轴承钢球和铝球对磨时，其磨损机制为氧化磨损，且磨损表面和亚表面均未观察到塑性变形。BLAWERT等[9]通过等离子体淹没氮离子注入技术改性X6CrNiTil810奥氏体不锈钢，获得的γN相改性层在较高加载载荷下与轴承钢球对磨时，磨损表面有氧化层存在，磨损机制为氧化磨损。DAHM等[10]采用反应溅射沉积技术在AISI 316奥氏体不锈钢表面制备了3～4 μm厚的γN相耐磨涂层，与红宝石球对磨时的磨损机制为氧化磨损，并且涂层中氮含量的增加促进了磨损表面的氧化反应。LI等[11]研究表明，活性屏等离子体渗氮奥氏体不锈钢γN相改性层在低滑动速度下的磨损机制为氧化磨损和微观磨粒磨损。目前，有关γN相改性层的研究多集中在其制备方法[1-3]及改善滑动和微动磨损性能[6-11]等方面，而有关其摩擦磨损行为的研究并不系统，尤其是磨损机制的研究较少。为了系统地分析γN相改性层的摩擦磨损行为并揭示其磨损机制的转变过程，作者采用等离子体源渗氮技术对AISI 316奥氏体不锈钢表面进行改性处理，通过干摩擦磨损试验对比研究了基体和改性层在不同载荷下与Si3N4陶瓷球摩擦副对磨时的摩擦磨损行为，采用扫描电子显微镜观察磨损形貌，并对其磨损机制进行了分析，为γN相改性层在磨损部件上的应用提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为商用AISI 316奥氏体不锈钢，其化学成分(质量分数/%)为0.06C，1.86Mn, 19.23Cr，11.26Ni，2.26Mo，余Fe。采用线切割截取尺寸为φ20 mm×6 mm的试样，经SiC金相砂纸打磨和粒径为1.5 μm的金刚石抛光膏抛光后，在丙酮溶液中超声清洗15 min，冷风吹干。在由大连理工大学表面工程实验室自主设计的等离子体源渗氮装置中进行渗氮处理，渗氮温度为450 ℃，纯NH3气氛，压力为300 Pa，试样置于悬浮电位，渗氮处理6 h。

本地区番茄无公害栽培中，春季栽培采用蔬菜大棚栽培，大概在12月到第二年3月期间播种；播种期间，结合当地气候条件选择播种时间，番茄开花期间避免高温和雨季天气。秋季番茄在8月份播种，也可以在6月份提前播种，以此来提升经济效益。番茄植株生长期间，需要充足的水分，而番茄枝叶繁茂，蒸腾作用强，所以无论是茎叶还是果实都需要充足的水分，如果水分不足将影响果实膨大，严重情况下会降低番茄的产量和品质。除了水分以外，养分的支持同样十分关键，番茄是一种耐肥作物，所以生长期间需要保证充足的肥料支持，实现氮、磷、钾肥合理搭配。

采用由10 g CuSO4、50 mL HCl和50 mL H2O组成的Marble试剂对等离子体源渗氮后试验钢表面改性层横截面进行腐蚀，在LEICA MEF4A型光学显微镜上观察显微组织；采用SHIMADZU EPMA-1600型电子探针分析改性层的氮元素含量分布；使用SHIMADZU XRD-6000型X射线衍射仪(XRD)分析改性层的物相组成；用HX-1000TM维氏硬度计测改性层横截面的显微硬度分布，载荷为0.1 N，加载时间15 s，测3次取平均值。

围岩分五类，详见表3《引黄灌溉工程隧洞围岩工程地质分类表》和表2《围岩岩石物理力学试验成果表》。其中Ⅲ类占比80%、Ⅳ类占比20%。围岩为二叠系上统石千峰组（P2sh），砂页岩、泥岩、砂岩等多个沉积旋回的陆相沉积岩，呈多薄层状，结构面多为层面，节理裂隙除有的构造发育部位外，一般不甚发育。岩层产状亦平缓，甚至近于水平，或隧洞顶覆盖厚度偏小等，施工过程中存在顶部围岩稳定和塌洞变形问题。

2 试验结果与讨论

2.1 改性层的组织、成分和物相组成

所谓“三教融合”就是将自治教育、法治教育和德治教育融合为一体。以此为十九大乡村振兴战略提出的乡村治理探寻新思路，即为自治、法治、德治相结合提供智力支撑。

  

图1 试样横截面的显微组织Fig.1 Microstructure of section of the sample

  

图2 试样中氮元素原子分数随距表面距离的分布曲线Fig.2 Distribution curve of atom fraction of nitrogen elementvs the distance from surface of the sample

由图2可知：在距表面15 μm的范围内，改性层中氮元素的原子分数为15%～20%，之后随着距表面距离的增加，氮元素的原子分数迅速降低；当距表面距离超过17 μm后，氮元素原子分数基本保持不变，为基体中氮元素的含量。

由图1可知，试验钢表面改性层的厚度约17 μm，改性层与基体间的界面较明显，经腐蚀后呈白亮色，这说明改性层具有良好的耐腐蚀性能。

在干摩擦磨损试验过程中，由于试验钢基体的硬度偏低，在连续塑性剪切变形的作用下，在一定深度处出现位错堆积，形成裂纹，进而发生断裂，摩擦副之间的传质导致大量材料的去除，因此试验钢基体的耐磨性较差。γN相改性层的硬度较高，能够提供高的承载能力，抵抗摩擦过程中的塑性变形和摩擦副的微观切削，使得摩擦界面处仅发生氧化磨损，从而提高试验钢的耐磨性能。当载荷由2 N增加到4 N时，磨损表面的氧化膜增多，起到了有效的保护和润滑作用，因此γN相改性层的摩擦因数和比磨损率均随载荷的增加而有所降低，磨损机制为氧化磨损。随着载荷的进一步增大，γN相改性层中塑性剪切变形和疲劳变形的累积使其表层和亚表层出现微裂纹，在高载荷作用下γN相改性层发生断裂并产生硬质磨粒，硬质磨粒嵌入摩擦界面并随着摩擦副而运动，导致改性层表面形成平行于滑动方向的犁沟形貌，磨损机制由氧化磨损变为磨粒磨损，摩擦因数和比磨损率增大。

  

图3 改性层的XRD谱Fig.3 XRD pattern of the modified layer

2.2 摩擦磨损行为

由图5可知：试验钢基体的摩擦因数随滑动距离的增加先逐渐增大，当滑动距离为200～400 m后基本不变，当载荷为2，4，6，8 N，试验钢基体的稳定摩擦因数分别为0.72，0.98，0.96，0.96；当载荷为2，4，8 N时，γN相改性层的摩擦因数在滑动初始阶段达到稳定，当载荷为6 N时，γN相改性层的摩擦因数呈脉冲式波动上升趋势，直到滑动距离为450 m时，摩擦因数达到稳定,当加载载荷为2，4，6，8 N时，γ相改性层的稳定摩擦因数分别为0.75，0.64，0.87，0.86，γN相改性层的摩擦因数随加载载荷的增加而呈先降低后升高的趋势，γN相改性层在相同的加载载荷条件下具有与基体相当或更低的摩擦因数。

  

图4 试样的显微硬度随距表面距离的分布曲线Fig.4 Distribution curve of microhardness vs the distancefrom surface of the sample

  

图5 试验钢基体和γN相改性层的摩擦因数随滑动距离的变化曲线Fig.5 Curves of Friction coefficient vs sliding distance of the substrate (a) and γN phase modified layer (b) of the tested steel

试验钢基体的显微硬度仅为230 HV0.01。由图4可知:γN相改性层表面的最大显微硬度约为1 510 HV0.01，为基体的6～7倍; γN相改性层的硬度随距表面距离的分布规律与其氮元素原子分数的一致。

由图7～图10可知：随着载荷的增加，试验钢基体的磨痕变宽，磨损表面更加粗糙，载荷为2 N时，磨损表面存在明显的塑性变形和黏着磨损痕迹，随着载荷的增加，磨损表面出现犁沟形貌，并且黏着撕裂痕迹增多，基体表面发生了严重的磨损和材料的去除，这表明基体与Si3N4陶瓷球对磨时的磨损机理以黏着磨损为主，同时伴有大量的塑性变形和微观切削；在较低载荷(2，4 N)下，γN相改性层磨损表面覆盖着一层不连续的氧化膜，表面平滑无裂痕，这表明在较低载荷下，γN相改性层的磨损机制主要为氧化磨损；在较高载荷(6，8 N)下，γN相改性层的磨痕宽度显著增大，出现了明显的塑性变形，磨痕内部可以观察到脱落的磨粒和断裂的疤痕，脱落的磨粒被压入摩擦的接触面内，使磨损表面产生了擦伤和沿滑动方向的犁沟形貌，这表明在较高载荷(6，8 N)下，γN相改性层的磨损机制主要为磨粒磨损。

  

图6 试验钢基体和γN相改性层的比磨损率随载荷的变化曲线Fig.6 Curves of specific wear rate vs load of the substrate and γN phase modified layer of the tested steel

2.3 磨损形貌

由图6可知：随着载荷的增加，试验钢基体的比磨损率几乎呈线性增加趋势，由4.5×10-5 mm3·N-1·m-1增加至17.8×10-5 mm3·N-1·m-1；γN相改性层的比磨损率随着载荷的增加先降低后升高，其变化规律与摩擦因数的变化规律一致，并且γN相改性层的比磨损率呈缓慢变化趋势，在相同载荷下的比磨损率比基体的均低一个数量级以上，因此耐磨性能显著提高。

  

图7 载荷为2 N时试验钢基体与γN相改性层的磨损形貌Fig.7 Wear morphology of substrate (a-b) and γN phase modified layer (c-d) of the tested steel under the load of 2 N:(a,c) at low magnification and (b, d) at high magnification

  

图8 载荷为4 N时试验钢基体与γN相改性层的磨损形貌Fig.8 Wear morphology of substrate (a-b) and γN phase modified layer (c-d) of the tested steel under the load of 4 N:(a,c) at low magnification and (b, d) at high magnification

  

图9 载荷为6 N时试验钢基体与γN相改性层的磨损形貌Fig.9 Wear morphology of substrate (a-b) and γN phase modified layer (c-d) of the tested steel under the load of 6 N:(a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

  

图10 载荷为8 N时试验钢基体与γN相改性层的磨损形貌Fig.10 Wear morphology of substrate (a-b) and γN phase modified layer (c-d) of the tested steel under the load of 8 N:(a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

由图3可知，改性层由单一面心立方结构的γN相组成，未发现其他相的衍射峰，这种单一相结构的改性层使得奥氏体不锈钢表面具有良好的耐腐蚀性能。LEI等[12]研究表明，γN相具有较高的形变层错密度和较低的孪晶层错密度，高的形变层错密度导致X射线衍射峰强度衰减和高指数晶面衍射峰消失，并且形变层错导致X射线衍射峰发生位移，而孪晶层错则导致X射线衍射峰呈非对称性。

3 结 论

(1) 对AISI 316奥氏体不锈钢进行450 ℃×6 h的等离子体源渗氮处理后，其表面形成了单一面心立方结构γN相改性层，改性层的厚度约17 μm，氮元素的原子分数为15%～20%，最大显微硬度约1 510 HV0.01。

在WTM-2E型球-盘式磨损试验机上进行干摩擦磨损试验，试样尺寸为φ20 mm×6 mm，摩擦副为φ4 mm的Si3N4陶瓷球，加载载荷为2～8 N，滑动速度为0.22 m·s-1，滑动距离为800 m；利用Surfcorder ET 4000A型轮廓仪测磨痕的横截面轮廓，用Original Pro软件计算磨痕二维轮廓的面积，乘以磨痕周长得到磨损体积，将磨损体积除以载荷和滑动距离即可得到比磨损率；采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察摩擦磨损试验前后改性层表面的磨损形貌。

(2) 与奥氏体不锈钢基体相比，在相同载荷下γN相改性层具有相当或更低的摩擦因数，且比磨损率均降低一个数量级以上，耐磨性能显著提高。

(3) 奥氏体不锈钢基体的磨损机制主要是黏着磨损，而γN相改性层在较低载荷(2～4 N)下的磨损机制主要为氧化磨损，在较高载荷(6～8 N)下的主要为磨粒磨损。

北美刺龙葵可通过种子、根茎系统、根片段进行繁殖。由于每一个根片段都可发展成为新的植株，因此其非常难控制，在玉米田和翻耕田块，农事操作可使其根系统成为一个片段，该特性可大大加速北美龙葵的传播[11]。

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