钛和氮离子共注入304不锈钢的摩擦磨损性能研究

摘要

304不锈钢常用于普通化工设备、食品生产设备和核能等方面,是工业生产中应用较为广泛的不锈钢和耐热钢之一。然而,由于304不锈钢的表面硬度、耐摩擦磨损性能等不能满足许多较为恶劣环境下的工业生产需求,因此对其表面进行改性处理显得尤为重要。本文针对304不锈钢的摩擦磨损问题进行了Ti、N离子注入研究,对其表面硬度和耐磨性进行了测试分析,并对摩擦磨损性能提高的原因做出了分析。
　　 Ti和N离子注入304不锈钢在0.5 N载荷下的表面显微硬度高于未注入试样,并随着注入剂量的增大,其显微硬度依次增加,其中注入剂量为7×1017 ions/cm2的显微硬度达到最大值HV0.02N=320.1 MPa。Ti和N离子注入试样在载荷为5 N,滑动时间为20 min,滑动转速为500 r/m的干摩擦条件下均具有优于未注入304不锈钢的磨损性能,其中7×1017 ions/cmz剂量下的摩擦系数达到最低值0.303,低于未注入样品的0.403。从磨痕表面SEM观察分析得出,未注入试样在5 N载荷下发生了严重塑性变形,磨痕较宽,出现了明显的脱落现象,而离子注入试样的磨痕深度相较宽度减小,磨损量减少约17％。另外试样表面的磨损机制也由注入前的磨粒磨损和粘着磨损两种机制共存向粘着磨损和氧化磨损转变,这种粘附于划痕表面的氧化磨损起到了一定的润滑作用,是高剂量下摩擦系数波动起伏减小的主要原因。
　　 XRD分析结果表明,未注入试样主要由FeCr0.29Ni0.16C0.06相组成,而不同注入剂量下的试样都检测到TiO2氧化物和TiN相,但元素含量存在差异,并随注入剂量的增加而增多,衍射峰强度也明显增强。另外,XPS分析结果表明,注入的Ti元素分别在463.5 eV和457.8 eV出现峰位,分别对应TiO2相和TiN相,而由于TiON相与TiO2结合能峰离得很近,因此不能确定是否此时已形成部分TiON相；注入的N元素分别在399.3 eV和395.9 eV出现了两个峰位,经拟合后分别对应于N-O键和TiN相,表明304不锈钢表面形成了一定厚度的TiO2-TiON-TiN梯度结构。