304不銹鋼管表面鉭沉積膜氮離子注入后的摩擦學(xué)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(duì)其進(jìn)行氮等離子體基離子注入，注入能量為 50 KeV，用掠射Ｘ線(xiàn)衍射（GXRD）分析了改性層的組成相結(jié)構(gòu)，選取6ｍｍ的 GCr 15 鋼球作為對(duì)磨件，測(cè)試了處理后試樣的磨損性能．研究結(jié)果表明：改性層含有鉭的氮化物，注入劑量較低時(shí)，化合物為 TaN 0.1；隨著注入劑量的增加，形成TaN。經(jīng)過(guò)該處理后的304不銹鋼管磨損性能提高，磨損率降低幅度達(dá)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(wú)磁性等，被廣泛應(yīng)用于化工、石油、航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域．這種鋼含碳量很低，表面硬度不高，僅為HB 200～210，導(dǎo)致其耐磨性能較差，限制其在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用．隨著工業(yè)的發(fā)展，為了進(jìn)一步拓寬 18-8 型奧氏體不銹鋼摩擦副零件在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，對(duì)于提高304不銹鋼管表面摩擦磨損性能，延長(zhǎng)其工件使用壽命的需要越來(lái)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(wú)同素異構(gòu)，即不能利用相變熱處理來(lái)強(qiáng)化，且在450～750℃范圍內(nèi)加熱一定時(shí)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(zhì)中很容易引起晶間腐蝕．目前主要采用表面改性來(lái)提高其表面性能，以克服奧氏體不銹鋼易磨損的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)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(huì)因處理溫度過(guò)高使鉻與氮離子形成氮化物，以致基體鉻含量降低，導(dǎo)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(yīng)力的摩擦副中，其性能也不能滿(mǎn)足要求．采用表面鍍膜技術(shù)，在其表面形成高硬膜，既可克服表面硬度低、耐磨性差的問(wèn)題，同時(shí)也能解決改性層薄的缺點(diǎn)。本研究用磁控濺射沉積并結(jié)合離子注入技術(shù)，在304不銹鋼管表面沉積鉭氮薄膜，并分析薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、耐磨性能以及它們之間的關(guān)系。

一、試驗(yàn)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(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表,用2000＃砂紙對(duì)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(tái)階法測(cè)量鉭膜的厚度．由于硅片的平整度高于鋼材試樣，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)試試樣采用硅片。

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

 利用美國(guó)MTS公司的納米壓痕儀掃描硅片試樣薄膜臺(tái)階的輪廓，得出其厚度，并使用該設(shè)備測(cè)量不銹鋼試樣的表面硬度；采用Ｘ線(xiàn)衍射儀對(duì)硅片試樣進(jìn)行GXRD分析，選取銅靶的Ｋα為Ｘ線(xiàn)源，管電壓40 kV，管電流40 ｍＡ，采用連續(xù)掃描模式，步長(zhǎng)0.02°，每步0.4秒，掠射角為20°，掃描范圍為20°~90°。磨損試驗(yàn)是在Ａ型球盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(duì)磨件為６ｍｍ的GCr 15 鋼球，載荷為1Ｎ，滑動(dòng)速度為50ｍｍ/s，試樣摩擦距離為25m。

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

至德鋼業(yè)通過(guò)臺(tái)階法對(duì)硅片表面的薄膜厚度進(jìn)行測(cè)量，如圖所示．改性層厚度約為100 nm，利用IRIM軟件對(duì)能量為50 KeV的氮離子，在鉭中注入深度進(jìn)行模擬可知：氮離子可注入深度為120 nm，由于注入過(guò)程中發(fā)生的濺射效應(yīng)，實(shí)際注入深度可以達(dá)到150 nm，已經(jīng)穿透了薄膜的深度進(jìn)入基體，如圖所示。研究證明，經(jīng)過(guò)此處理后，鉭在鉭膜與基體間的含量是漸變的，無(wú)明顯界面，因而可以實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，提高薄膜的結(jié)合強(qiáng)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(shí)，薄膜中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的晶相結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的衍射峰，當(dāng)注入劑量?jī)H為1×1017離子數(shù)／cm2時(shí)，改性層中存在近乎于Ta-Ｎ固溶體的Ta N 0.1衍射峰，文獻(xiàn)也證明了此種結(jié)果，隨著注入劑量進(jìn)一步增加，衍射峰位左移，形成TaN化合物相，分析其相結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)間變化的曲線(xiàn)．從曲線(xiàn)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(guò)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(shí)間增長(zhǎng)，說(shuō)明此類(lèi)試樣改性層的耐磨性能比較高。

采用納米壓痕儀對(duì)磨痕的輪廓進(jìn)行掃描，通過(guò)計(jì)算得出磨痕的橫截面積，再乘以磨痕周長(zhǎng)即得磨痕的總體積，除以滑動(dòng)距離30m后，即得單位長(zhǎng)度的磨損率。本研究在每個(gè)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(guò)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(dá)到66.3％．與此同時(shí)，氮離子注入劑量對(duì)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(dāng)?shù)x子注入劑量為2.5×10¹⁷離子數(shù)/cm²時(shí)，改性層的磨損率最??；當(dāng)注入劑量達(dá)到2.5×10¹⁷離子數(shù)/cm²時(shí)，試樣表面的磨損率略有增加，但變化不大。

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

三、結(jié)語(yǔ)

 1. 304不銹鋼管表面經(jīng)過(guò)磁控濺射沉積鉭膜并進(jìn)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(lèi)受注入劑量調(diào)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(yàn)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(dá)到66.3％．