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                不銹鋼管廠

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                304不銹鋼管表面鉭沉積膜氮離子注入后的摩擦學性能

                來源:至德鋼業 日期:2021-04-11 20:00:00 人氣:222

                 浙江至德鋼業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%;摩擦因數有所降低,表面摩擦因數由未處理前的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,限制其在機械行業中的應用.隨著工業的發展,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的貧鉻區,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,表面硬度為 2.54 GPa,化學成分的質量分數見表,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,由于注入過程中發生的濺射效應,實際注入深度可以達到150 nm,已經穿透了薄膜的深度進入基體,如圖所示。研究證明,經過此處理后,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,薄膜中沒有出現明顯的晶相結構,主要以非晶為主,并有輕微氧化現象發生;氮離子注入后,薄膜中出現了晶體結構的衍射峰,當注入劑量僅為1×1017離子數/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保持在1.0~1.2之間,表面經過鉭沉積和氮離子注入處理后,試樣的摩擦因數一度降至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.當氮離子注入劑量為2.5×1017離子數/cm2時,改性層的磨損率最小;當注入劑量達到2.5×1017離子數/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/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;當氮離子注入劑量達到2.5×1017離子數/cm2時,改性層中氮含量升高,晶體相由固溶體相Ta N 0.1逐步轉變為Ta N,強化效果大大增強,宏觀表現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不銹鋼管經表面處理后摩擦性能大幅度提高,在試驗中,摩擦因數由1.0~1.2降至0.2~0.4,磨損率降低幅度最大達到66.3%.



                本文標簽:304不銹鋼管 

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