表面织构-等离子渗钛复合处理改善316不锈钢的摩擦学性能

摘要

奥氏体不锈钢因具有良好的综合力学性能和工艺性能，且在氧化性和还原性介质中均表现出较好的耐蚀性，从而在工业、民用等诸多领域得到广泛应用。奥氏体不锈钢亦是不锈钢中种类较多、使用量最大的一种钢材，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及使用量的一半以上。随着生产和加工技术的不断提高，奥氏体不锈钢的使用场合与服役环境也愈加宽泛。但是，受表面硬度低、摩擦系数大、耐磨性差等制约，奥氏体不锈钢一般不能用于制作摩擦零部件。基于磨损损伤发生在材料表面，而表面工程技术能够赋予材料表面全新组织、成分和性能，被广泛用于提高奥氏体不锈钢的摩擦学性能。表面织构化和双辉等离子表面合金化在提高材料表面摩擦学性能方面的各具优势，将两种技术相复合，有望进一步改善奥氏体不锈钢的摩擦学性能。 本文先采用电火花加工技术在316不锈钢表面制备沟槽状表面织构，再对表面织构化316不锈钢进行等离子渗钛处理。分析了复合处理316不锈钢的材料学特征，评价了316不锈钢基体、表面织构化316不锈钢、渗钛层和复合处理316不锈钢在干摩擦和脂润滑条件下的摩擦学行为。借助电化学测试技术，对比研究了相关试样在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性。主要研究内容和结果如下： （1）采用正交设计安排不锈钢等离子渗钛工艺，研究了温度、保温时间、源极-工件极压差和极间距等参数对渗钛层的厚度和耐磨性的影响，得到了等离子渗钛的优化工艺：温度950 ℃，保温时间3 h，压差200 V，极间距18 mm。在此参数下所获得的渗钛层连续、致密，厚度约为10μm，钛元素在渗层成分呈现梯度分布，渗钛层与基体为冶金结合。渗钛层主要由NiTi2、NiTi，Ni3Ti，Fe2Ti以及Cr2Ti等金属间化合物组成。渗钛层的表面硬度为636.6 HV0.1，结合力等级高于HF1。 （2）干摩擦条件下，与GCr15和Si3N4对摩时，渗钛层的摩擦系数均高于316不锈钢基体，即不具有减摩作用，但渗钛层的比磨损率均低于316基体316不锈钢，表现出更好的耐磨性。脂润滑条件下，与GCr15和Si3N4对摩时，渗钛层的摩擦系数略高于316不锈钢基体，但渗钛层的比磨损率较316不锈钢基体低了一个数量级。 （3）干摩擦条件下，与GCr15和Si3N4配副，表面织构化316不锈钢和复合处理316不锈钢的摩擦系数变化趋势一致，但复合处理316不锈钢的摩擦系数略低于表面织构化316不锈钢。同时，复合处理316不锈钢的磨损程度较表面织构化316不锈钢的磨损程度轻微。干摩擦条件下，沟槽状表面织构较好地发挥了捕捉磨屑的作用，有效降低了表面织构化316不锈钢和复合处理316不锈钢的磨损损伤。脂润滑条件下，GCr15和Si3N4配副，沟槽状表面织构较好地发挥了存储润滑脂的作用，摩擦过程中提供持续润滑，表面织构化316不锈钢和复合处理316不锈钢的摩擦接触区域未能形成连续的磨痕。复合处理316不锈钢的磨损程度较表面织构化316不锈钢的磨损程度更加轻微。 （4）开路电位、极化曲线和交流阻抗测试结果表明，渗钛层和复合处理316不锈钢较316不锈钢基体具有更高的开路电位和电荷传递电阻，更低的腐蚀电流密度，表现出更好的耐蚀性。沟槽状表面织构具有一定的疏水作用，表面织构化不锈钢的耐蚀性也优于316不锈钢基体。 （5）总体上讲，等离子渗钛和复合处理均提高了316不锈钢基体的摩擦学性能和耐蚀性，复合处理的改善效果更加明显。

目录

题 目

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 不锈钢简述

1.2 不锈钢的表面处理技术

1.2.1 表面涂镀

1.2.2 表面改性

1.3 双辉等离子表面合金化技术

1.3.1 基本原理

1.3.2 技术特点

1.3.3 研究进展

1.4表面织构化技术

1.4.1 加工方法

1.4.2 改善摩擦学性能的研究

1.4.3 选题背景及研究内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备及样品制备

2.2.1 双辉等离子表面合金化设备

2.2.2 实验设计

2.2.3 表面织构化316不锈钢及复合处理样品制备

2.3 组织结构和成分分析

2.4 机械性能

2.4.1 硬度测试

2.4.2 结合力测试

2.5 摩擦磨损性能测试

2.5.1 摩擦副

2.5.2 润滑脂

2.5.3 摩擦磨损实验设备及参数

2.5.4 磨损率测定

2.5.5 磨损机理分析

2.6 耐蚀性能测试

第三章 等离子渗钛工艺优化和表征

3.1 正交实验

3.1.1 渗钛工艺参数选择

3.1.2 正交实验设计

3.1.3 正交实验结果分析

3.1.4 最佳工艺参数的确定

3.2 渗钛层表征及性能测试

3.2.1 渗钛层表面形貌

3.2.2 渗钛层截面形貌

3.2.3 渗钛层相结构分析

3.2.4 渗钛层显微硬度测试

3.2.5 渗钛层结合力测试

3.3 复合处理试样截面形貌表征

3.4 本章小结

第四章 316不锈钢等离子渗钛层摩擦磨损性能研究

4.1 材料的摩擦磨损

4.1.1 摩擦

4.1.2 磨损

4.2 干摩擦条件下的摩擦磨损性能

4.2.1 316不锈钢基体和渗钛层的摩擦学性能

4.2.2 316不锈钢基体的磨损机理

4.2.3 渗钛层的磨损机理

4.3 润滑条件下的摩擦磨损性能

4.3.1 316不锈钢基体和渗钛层的摩擦学性能

4.3.2 316不锈钢基体的磨损机理

4.3.3 渗钛层的磨损机理

4.4 本章小结

第五章 复合处理试样的摩擦学性能

5.1 干摩擦条件下的摩擦磨损性能

5.1.1 表面织构化316不锈钢和复合处理试样的摩擦学性能

5.1.2 表面织构化316不锈钢试样磨损机理

5.1.3 复合处理316不锈钢的磨损机理

5.2 脂润滑条件下的摩擦磨损性能

5.2.1 表面织构化316不锈钢和复合处理处理试样的摩擦学性能

5.2.2表面织构化316不锈钢磨损机理

5.2.3 复合处理试样的磨损机理

5.3 本章小结

第六章 表面织构化316不锈钢和复合处理试样的耐蚀性能

6.1 开路电位测试及分析

6.2 极化曲线测试及分析

6.3 电化学阻抗谱测试及分析

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢