提高不锈钢表面耐磨性的表面处理技术(2)

2009-09-13 陈国星 华南理工大学材料科学与工程学院

缺点是:

  (1) 金属离子熔点高、注入能量高, 使用受到限制;

  (2) 高剂量注入导致的溅射和温升、溅射腐蚀等, 以及如何优选溅射、复杂形状(倾斜注入、转动注入、柱体注入) 注入等都是目前有待解决的问题 。

  目前, 许多学者应用离子注入技术来改变不锈钢表面的成分和组织, 以提高不锈钢的耐磨性。同济大学郭军霞等采用金属真空弧放电离子源在奥氏体不锈钢上进行Co+C离子的双注入与同时注入, 研究结果表明: 双注入和同时注入方式均能够在不锈钢表面产生1 个Co 与C 的共存区域, 注入离子浓度范围宽化, 强化范围增加; 双注入和同时注入均能够提高不锈钢的表面硬度, 降低其表面的摩擦系数, 提高其耐磨性 。哈尔滨工业大学田修波等采用高频低电压等离子体浸没离子注入( HLPIII) 技术对AISI304不锈钢表面进行了氮离子注入处理, 用球-盘摩擦磨损试验机考察了注入处理后钢表面改性层的摩擦磨损性能, 研究结果表明: HLPIII处理能够显著提高样品的摩擦学性能。经过等离子体浸没离子注入处理后, AISI304表面形成了高氮层和膨胀奥氏体, 提高了表面层硬度, 降低了表面粘着和塑性流动倾向, 因而使摩擦系数减小, 耐磨性提高约2 ~10倍 。Z.Tek、A.Êztarhan 等人在抛光的316L 不锈钢表面分别注入Ti+N以及Zr离子, 研究结果表明: 处理后的该不锈钢摩擦系数降低, 硬度值提高, 摩擦磨损性能明显改善, 实验数据见表1。

表1  316L不锈钢离子注入处理前后的性能对比

316L不锈钢离子注入处理前后的性能对比

3.2、激光表面处理

  激光表面改性是20世纪70年代发展起来的高新技术。它利用激光的高亮度、高单色性、高方向性、高相干性的特点, 作用于金属材料表面, 使材料的表面性能得到提高。特别是材料表面硬度、强度、耐磨性等的改进, 提高了产品的使用寿命。激光表面改性可分为激光表面相变硬化、激光冲击硬化、激光熔覆、激光合金化和激光非晶化等。从工艺上看它们各自的特点是作用在材料表面的激光功率密度不同, 冷却速度不同而致 。激光表面处理在材料加工中应用的特点是:

  (1) 能量传递方便, 可以对被处理工件表面有选择地局部强化;

  (2) 激光能量作用集中, 加工时间短, 热影响区小, 工件变形小;

  (3) 可以处理表面形状复杂的工件, 而且容易实现自动化生产;

  (4) 改性效果比普通方法更显著, 速度快, 效率高, 成本低;

  (5) 通常只能处理一些薄板金属, 不适宜处理较厚的板材;

  (6) 由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全, 因此要致力于发展安全设施 。

  吕旭东、王华明利用激光熔敷技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢基材表面制得由三元金属硅化物Mo2Ni3Si 初生树枝晶和枝晶间Mo2Ni3 SiPNiSi 共晶组织组成的复合材料涂层, 考察了涂层镍含量及Mo2Ni3Si 初生相体积分数对涂层在滑动干摩擦下的耐磨性的影响, 结果表明: 激光熔敷涂层在滑动干摩擦条件下具有优异的抗磨性能, 随着涂层中三元金属硅化物初生相体积分数的增加, 涂层的耐磨性提高, 摩擦系数降低。A.RoyChoudhury , Tamer Ezz 等人综合应用激光熔敷和溶胶2凝胶技术在AISI 316L不锈钢基体表面制得高硬度纳米级结构硼化物涂层, 测试结果表明:被处理区域涂层的硬度范围是800~2000Hv , 滑动摩擦系数最低可以达到0.35 (摩擦时的配合层为碳化钨) , 对比实验(同钻石摩擦) 表明,磨损率减少了50 %以上, 抗磨损性能得到明显改善 。

3.3、等离子表面处理

  在等离子体中的化学反应比热化学反应容易进行, 其带电粒子在放电空间(气体) 有热运动、电场作用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动。工艺上可以把它分为: 等离子渗氮、等离子渗碳、碳氮共渗、等离子渗硫、硫氮共渗、硫碳氮共渗等。

  等离子渗氮可以大幅度提高不锈钢的硬度和耐磨性, 但处理后的不锈钢耐蚀性下降。周华茂等采用正交试验对1724PH 沉淀硬化不锈钢的离子渗氮工艺和显微组织进行了研究。结果表明离子渗氮表面层硬度很高, 最大显微硬度可达到1290Hv。田修波等利用浸没式高频高压等离子体渗氮( IHHPN) 技术对SS304 奥氏体不锈钢进行了低温渗氮处理, 在300 ℃×215h 处理条件下获得了0.3μm 厚的高氮层, 表面显微硬度较未处理的样品明显提高, 改性层内形成了膨胀奥氏体 。E. De Las Heras 等人在AISI 316L 奥氏体不锈钢表面上先后使用直流脉冲等离子渗氮( 673K、20h ) 和等离子辅助物理气相沉积(PAPVD) 技术, 经过两轮处理后样品表面沉积了均匀、密集、结合力良好的TiN 涂层, 测定了在滑动和滚动摩擦条件下不同负载(490、1225和1960N) 时的磨损情况, 结果表明处理后样品的抗摩擦磨损性能明显改善。

4、结束语

  本文简单介绍了涂镀技术和表面改性技术在改善不锈钢耐磨性中的应用与进展。耐磨性作为不锈钢的一个重要的性能指标, 一定程度上制约着不锈钢的应用。对比本文提到的各种表面处理途径, 可以得出以下3 点意见。

  (1) 提高不锈钢表面耐磨性途径不再是采用单一的涂镀技术或表面改性技术。综合应用传统的涂镀技术和现代表面改性技术将成为提高不锈钢耐磨性的发展方向。

  (2) 拥有诸多优点的离子注入技术, 将会从现代表面改性技术中凸现出来, 成为改善不锈钢耐磨性的研究热点。

  (3) 激光束、离子束等新兴技术在不锈钢表面处理中的应用, 将显著提高不锈钢产品的技术附加值。