304不銹鋼管表面鉭沉積膜氮離子注入后的摩擦學性能

 浙江至德鋼業(yè)有限公司利用磁控濺射方法在304不銹鋼管表面沉積厚約100nm的鉭膜，并對其進行氮等離子體基離子注入，注入能量為 50 KeV，用掠射Ｘ線衍射（GXRD）分析了改性層的組成相結構，選取6ｍｍ的 GCr 15 鋼球作為對磨件，測試了處理后試樣的磨損性能．研究結果表明：改性層含有鉭的氮化物，注入劑量較低時，化合物為 TaN 0.1；隨著注入劑量的增加，形成TaN。經(jīng)過該處理后的304不銹鋼管磨損性能提高，磨損率降低幅度達到66.3％；摩擦因數(shù)有所降低，表面摩擦因數(shù)由未處理前的1.0～1.2下降至處理后的0.2～0.4。304不銹鋼是一種典型的18-8型奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、塑性、可焊性、加工性、低溫韌性和無磁性等，被廣泛應用于化工、石油、航空、醫(yī)療器械等領域．這種鋼含碳量很低，表面硬度不高，僅為HB 200～210，導致其耐磨性能較差，限制其在機械行業(yè)中的應用．隨著工業(yè)的發(fā)展，為了進一步拓寬 18-8 型奧氏體不銹鋼摩擦副零件在機械制造領域中的應用，對于提高304不銹鋼管表面摩擦磨損性能，延長其工件使用壽命的需要越來越迫切。

 由于鉻、鐵、鎳合金化形成的單相奧氏體在固態(tài)下無同素異構，即不能利用相變熱處理來強化，且在450～750℃范圍內加熱一定時間（敏化處理）后，碳化物（主要是 Cr23C6 ）沿晶界析出，并在晶界附近形成連續(xù)的貧鉻區(qū)，在弱氧化性介質中很容易引起晶間腐蝕．目前主要采用表面改性來提高其表面性能，以克服奧氏體不銹鋼易磨損的缺點，延長其使用壽命，常用的方法有滲氮、離子注入和表面鍍膜等．普通的滲氮工藝會因處理溫度過高使鉻與氮離子形成氮化物，以致基體鉻含量降低，導致奧氏體不銹鋼抗腐蝕性大幅下降．采用等離子體基離子注入的方法，雖可提高其表面耐磨性，但改性層較薄，通常小于300nm，在許多高接觸應力的摩擦副中，其性能也不能滿足要求．采用表面鍍膜技術，在其表面形成高硬膜，既可克服表面硬度低、耐磨性差的問題，同時也能解決改性層薄的缺點。本研究用磁控濺射沉積并結合離子注入技術，在304不銹鋼管表面沉積鉭氮薄膜，并分析薄膜的微觀結構、硬度、耐磨性能以及它們之間的關系。

一、試驗方法

 試樣分為兩種，一種是尺寸為15ｍｍ×15ｍｍ×0.8ｍｍ的單晶硅片，另一種是尺寸為30ｍｍ×5ｍｍ的304不銹鋼片．不銹鋼片為退火態(tài)，表面硬度為 2.54 GPa，化學成分的質量分數(shù)見表,用2000＃砂紙對不銹鋼試樣手工打磨并拋光成鏡面，將兩種試樣置于丙酮中用超聲清洗兩次去油，采用臺階法測量鉭膜的厚度．由于硅片的平整度高于鋼材試樣，為保證測量的準確性，測試試樣采用硅片。

 本研究的工藝試驗在哈爾濱工業(yè)大學自行研制的等離子體基離子注入機上進行，具體工藝參數(shù)見表。先在試樣表面利用磁控濺射沉積一層鉭膜，然后直接進行氮離子注入．原始樣編為0＃試樣。

 利用美國MTS公司的納米壓痕儀掃描硅片試樣薄膜臺階的輪廓，得出其厚度，并使用該設備測量不銹鋼試樣的表面硬度；采用Ｘ線衍射儀對硅片試樣進行GXRD分析，選取銅靶的Ｋα為Ｘ線源，管電壓40 kV，管電流40 ｍＡ，采用連續(xù)掃描模式，步長0.02°，每步0.4秒，掠射角為20°，掃描范圍為20°~90°。磨損試驗是在Ａ型球盤式摩擦磨損試驗機上進行，摩擦條件為大氣環(huán)境下的干摩擦，試樣采用不銹鋼試樣，對磨件為６ｍｍ的GCr 15 鋼球，載荷為1Ｎ，滑動速度為50ｍｍ/s，試樣摩擦距離為25m。

二、試驗結果及分析

至德鋼業(yè)通過臺階法對硅片表面的薄膜厚度進行測量，如圖所示．改性層厚度約為100 nm，利用IRIM軟件對能量為50 KeV的氮離子，在鉭中注入深度進行模擬可知：氮離子可注入深度為120 nm，由于注入過程中發(fā)生的濺射效應，實際注入深度可以達到150 nm，已經(jīng)穿透了薄膜的深度進入基體，如圖所示。研究證明，經(jīng)過此處理后，鉭在鉭膜與基體間的含量是漸變的，無明顯界面，因而可以實現(xiàn)冶金結合，提高薄膜的結合強度。

圖為硅片試樣表面薄膜的GXRD圖．從圖中可以看出：氮離子未注入時，薄膜中沒有出現(xiàn)明顯的晶相結構，主要以非晶為主，并有輕微氧化現(xiàn)象發(fā)生；氮離子注入后，薄膜中出現(xiàn)了晶體結構的衍射峰，當注入劑量僅為1×1017離子數(shù)／cm2時，改性層中存在近乎于Ta-Ｎ固溶體的Ta N 0.1衍射峰，文獻也證明了此種結果，隨著注入劑量進一步增加，衍射峰位左移，形成TaN化合物相，分析其相結構改變的原因是由于氮離子注入的增加，薄膜中氮含量提高，促進了化合物相的形成．

圖為不銹鋼試樣表面改性層摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線．從曲線中可以看出，原始試樣的摩擦因數(shù)保持在1.0～1.2之間，表面經(jīng)過鉭沉積和氮離子注入處理后，試樣的摩擦因數(shù)一度降至0.2～0.4，而且隨著試樣注入劑量的增加，摩擦因數(shù)升至0.8以上所需的時間增長，說明此類試樣改性層的耐磨性能比較高。

采用納米壓痕儀對磨痕的輪廓進行掃描，通過計算得出磨痕的橫截面積，再乘以磨痕周長即得磨痕的總體積，除以滑動距離30m后，即得單位長度的磨損率。本研究在每個試樣上掃描兩次，然后取其平均值，得到圖５．從圖中可以看出，304不銹鋼管表面經(jīng)過鉭膜沉積＋氮離子注入處理后，試樣的磨損率明顯下降，下降幅度最高可以達到66.3％．與此同時，氮離子注入劑量對試樣的磨損率也有很大的影響，隨著注入劑量的增加，磨損率存在最大值．當?shù)x子注入劑量為2.5×10¹⁷離子數(shù)/cm²時，改性層的磨損率最??；當注入劑量達到2.5×10¹⁷離子數(shù)/cm²時，試樣表面的磨損率略有增加，但變化不大。

結合試樣中GXRD及摩擦磨損試驗結果可知，改性層中主要的強化相為鉭的化合物相．當注入劑量為1×10¹⁷離子數(shù)/cm²時，改性層中氮含量較低，結晶相主要為固溶體相，此時強化效果較低，改性層的耐磨性都較差；當?shù)x子注入劑量達到2.5×1017離子數(shù)/cm2時，改性層中氮含量升高，晶體相由固溶體相Ta N 0.1逐步轉變?yōu)門a N，強化效果大大增強，宏觀表現(xiàn)為試樣的摩擦磨損性能明顯提高；而進一步提高注入劑量時，試樣耐磨性并沒有進一步提高，其原因可能是由于注入過程的濺射作用，使氮離子的保留劑量不再增加，同時改性層厚度下降，這些都會導致材料表面磨損率增加。

三、結語

 1. 304不銹鋼管表面經(jīng)過磁控濺射沉積鉭膜并進行氮離子注入處理后，在表面改性層中形成鉭的氮化物（TaN 0.1及 TaN），其氮化物種類受注入劑量調控．

 2. 304不銹鋼管經(jīng)表面處理后摩擦性能大幅度提高，在試驗中，摩擦因數(shù)由1.0～1.2降至0.2～0.4，磨損率降低幅度最大達到66.3％．