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    316L不銹鋼管氮離子注入層的高溫摩擦磨損特性

    關鍵詞:316L不銹鋼管 來源:管理員 發布時間:2019-11-20

    316L不銹鋼管氮離子注入層的高溫摩擦磨損特性

    調查了316L奧氏體不銹鋼高溫氮離子注入層的摩擦磨損性能,并剖析了其組織構造.結果標明:在相同注入工藝條件下,高溫注入后的含氮層深度較常溫注入下的進步約10倍;在150~460℃下注入處置時,在間隔注入層外表大約40nm深度內的組織構造與注入溫度有關,含氮層主要以收縮奧氏體組織為主;由于收縮奧氏體、CrN和微晶組織等對含氮層的強化作用,使顯微硬度顯著進步,摩擦系數明顯降落,耐磨性能得到改善;460℃下注入處置后試樣的摩擦系數較150℃下處置后的略高,而前者的耐磨性明顯較高.

    離子注入技術具有十分共同而優秀的特性,應用該技術不只能夠在工件外表取得超出熱力學限制的組織構造和溶質固溶度,而且可取得優良的摩擦磨損性能[1].但是,常溫離子注入所得改性層太薄,工件外表的耐磨性及承載才能均較差,因此在工業范疇中的應用遭到了限制.進步離子注入溫度,或對注入層停止退火處置,應用熱擴散和輻射加強擴散等效應,可改動離子散布,增加注入層厚度,并改善注入層的組織構造,使外表摩擦磨損性能得到較明顯的改善[2~10].離子注入產生的熱效應對金屬外表離子再散布、組織構造以及外表摩擦磨損性能的影響十分復雜[11].本文作者試圖提醒注入溫度對資料外表組織構造和摩擦磨損性能的影響.

    1實驗局部

    將316L奧氏體不銹鋼加工成尺寸為<12mm×3mm的圓片,用金剛石拋光膏將注入面精拋成鏡面后,采用LZD280型多功用離子注入機施行氮離子注入.采用的注入參數為:束流密度26.4ΛAcm2;劑量1×1018N+cm2;能量60keV;注入溫度為常溫至460℃.用熱電偶直接測定注入溫度,熱電偶放入距試樣注入外表1mm以下的圓孔內.

    在ALEX21型多功用球2盤磨損性能實驗機上評價注入層的耐磨性能,偶件采用<6mm的SiC球,負荷0.98N,速度130mmmin.在DF2PM型動靜摩擦系數精細測定儀上測定注入層的摩擦性能,偶件采用<3mm的GCr15鋼球,運動方式為單向滑動,負荷0.98N,速度30mmmin,滑動間隔9mm.采用KYKY21010B型掃描電子顯微鏡察看試樣磨痕形貌.采用HX21000型顯微硬度計停止硬度測試,所用載荷為0.05N.用PHI650SAM3600SIMS型多功用掃描俄歇譜儀剖析注入離子深度散布,并用PHI5600ESCA型X射線光電子能譜儀剖析注入試樣外表Cr和N元素的化學狀態.采用H2800型透射電子顯微鏡Dmax2r2000型X射線衍射儀剖析注入層的顯微組織構造.

    2結果及討論

    2.1離子注入層氮散布

    圖1示出了316L奧氏體不銹鋼氮離子注入層的氮散布隨注入溫度的變化關系.可見,氮散布明顯與注入溫度相關.在150℃下注入時,氮峰外形偏離由LSS理論預測的高斯型散布,隨注入溫度升高,偏離水平加劇,向內拓展愈加明顯,從而呈擴散型散布.這標明離子注入碰撞混合特征隨注入溫度升高而削弱.另外隨注入溫度升高,氮的均勻濃度依次降低而含氮層厚度增加;在250~460℃注入溫度范圍內,氮浸透深度大幅度進步,460℃注入時達2.5Λm,較150℃注入時進步近1個數量級.這是由于注入溫度進步時氮離子擴散和熱擴散加強的結果.

    2.2注入層組織構造

    進步注入溫度,氮浸透深度大幅增加.此時若能取得與常溫注入下類似的含氮層組織構造,或取得析出相等耐磨組織,將有效改善注入層的摩擦磨損性能,并延長運用壽命.

    由于Ar+濺射速率低,用X射線光電子能譜僅剖析了約50nm的外表層.依據文獻[12]引薦的擬合辦法對注入316L不銹鋼中的N1s和Cr2p32譜峰停止擬合.結果發現,316L不銹鋼經150℃、350℃和460℃下氮離子注入處置后,在約40nm外表層內均構成了氮固溶Χ晶格的ΧN相和CrN構造,而更深的含氮層主要為氮固溶ΧN相.與350℃下注入處置后的316L不銹鋼樣品相比,經150℃和460℃注入處置后試樣外表CrN的XPS譜峰強度較高.

    應用透射電子顯微鏡對含氮層外表組織構造進一步察看剖析(見圖2)標明:150℃下注入處置后產生了高密度的位錯等缺陷,并構成大量平行針狀析出物,其形態似針狀馬氏體;350℃下注入時針狀析出物減少,缺陷密度降低,注入外表呈細小網格狀的微晶組織,依據其電子衍射環和環的相對強度標定,該微細組織為面心立方的CrN和ΧN;在460℃下注入處置后,針狀析出物極少,少局部區域存在微晶組織,但以析出物構成為主,分離XPS剖析結果,能夠揣測該析出物為CrN.可見,注入溫度升高,析出物在外表加速構成.其緣由在于注入溫度升高,氮和空位可動性增加,有利于析出物的構成和長大[11].

    用X射線衍射儀對316L不銹鋼管在不同溫度下的N+注入層停止物相剖析,結果如圖3所示.可見150℃下注入處置未招致物相變化.注入處置后不銹鋼外表構成了收縮奧氏體ΧN的面心立方構造的新相,其具有氮固溶于奧氏體Χ晶格相的強化組織.采用衍射譜預算ΧN相的的晶格常數、各晶面的含氮量和氮穿透深度[13],得出晶格常數散布處于0.36146~0.37492nm范圍內;而(111)面的均勻含氮量較(200)面的低,ΧN相衍射峰變寬且呈非對稱形態(向高衍射角拓寬);(111)的氮浸透深度比(200)面淺.其兩晶面的含氮量和氮穿透深度的不同主要歸因于離子注入的溝道效應,隨注入溫度升高,兩晶面間的含氮量和氮穿透深度差值增大.

    由此可見,316L不銹鋼注入層以ΧN相為主,僅在外表構成了CrN和微晶等強化相,故經過高溫氮離子注入仍可在外表取得超飽和固溶相,而選擇適宜的注入條件可構成外表彌散相等強化組織.

    2.3摩擦磨損性能

    圖4示出了氮離子注入處置后的316L不銹鋼管外表顯微硬度.可見,注入處置后的顯微硬度明顯進步,并且顯微硬度隨注入溫度升高而增大,460℃注入處置后的顯微硬度比未注入處置的進步120%.這主要是由于注入處置后外表構成了微晶、CrN和ΧN相等強化組織,而ΧN相為超飽和氮固溶奧氏體相,具有較高的強化效果,故在表層產生固溶強化、析出強化和微晶強化等.此外,在較高溫下注入處置后的氮固溶強化相明顯增厚,有利于顯微硬度的進步.

    由摩擦理論可知,摩擦力主要是粘著剪切阻力和犁溝阻力之和.經過強化表層,進步表層屈從強度,可降低摩擦系數.圖5示出了不同溫度注入處置后的316L不銹鋼外表含氮強化層的摩擦系數隨摩擦循環次數變化的關系.可見:離子注入后外表的摩擦系數均降低;未注入時,磨損循環50次外表氧化層即被磨除,摩擦系數疾速增大至約0.65;150℃注入處置后,摩擦系數明顯降低,在循環次數到達200次時仍然堅持較低值;460℃注入處置后的摩擦系數比150℃注入處置后的略高,但由于ΧN相強化層較厚,在循環次數超越800次后摩擦系數仍堅持較低值;460℃注入處置后的初始摩擦系數與未注入處置試樣的接近,緣由在于其外表層氮含量及強度較低.

    降低摩擦和進步金屬外表抗變形才能是減小磨損的主要途徑,因而,316L不銹鋼經氮離子注入后耐磨性取得顯著改善.圖6示出了注入試樣磨痕寬度隨磨損行程變化的關系.可見高溫注入后試樣的抗磨性能大幅進步;當磨損行程為2500周時,350℃下注入處置后樣品的磨痕寬度比未注入處置的低67%.從試樣磨損外表輪廓剖析可知,未注入處置試樣的磨痕邊緣隆起,中央粗糙;而經350℃和460℃注入處置后試樣的磨痕淺且較平整.未注入處置試樣的磨痕形貌呈細密的犁溝,且可見塑性變形、粘著和撕裂跡象;氮離子注入處置后試樣磨痕外表的塑性變形、粘著和撕裂這種現象明顯減輕,經350℃和460℃注入處置后的試樣磨痕呈十分稠密的犁溝.

    3結論

    a. 隨氮離子注入溫度升高,在間隔316L不銹鋼外表40nm的范圍內依次構成針狀析出物、微晶組織和CrN析出相,但氮浸透層主要以收縮奧氏體強化組織為主.

    b. 由于316L不銹鋼外表構成了收縮奧氏體等強化組織,招致摩擦系數降落,顯微硬度和耐磨性能大大進步.

    c. 316L不銹鋼管試樣經460℃氮離子注入處置后的摩擦系數比150℃注入處置后的略高,但前者的收縮奧氏體強化層厚度超越2Λm,因此其耐磨性能更優.

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