AISI316奥氏体不锈钢等离子体源渗氮及其耐磨抗蚀性能

当今，系列低温渗氮改性技术，如低温气体/离子渗氮、氮离子淹没注入及等离子体基低能离子注入等，已成功地应用于改性奥氏体不锈钢，使其耐磨抗蚀复合性能得到了提高，但在关于γN相改性层耐磨蚀方面的报道差异性较大，在均匀腐蚀性方面甚至出现了相互矛盾的结果。这表明改性后的奥氏体不锈钢表层形成的γN相改性层的摩擦和腐蚀行为十分复杂，目前对其耐磨抗蚀机理还未完全掌握。

为此，研究人员采用等离子体源渗氮技术，在AISI316奥氏体不锈钢表面制备了γN相改性层，研究了干摩擦条件下γN相改性层/Si3N4陶瓷球的摩擦磨损行为及其在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为，并探讨了其耐磨抗蚀机理。

试验基材为AISI316奥氏体不锈钢，化学成分（质量分数）：0.06%C，1.86%Mn，19.23%Cr，11.26%Ni，2.26%Mo，Fe余量；尺寸为Φ20mm×60mm。基体经SiC金相砂纸打磨后，用粒度为1.5μm的金刚石抛光膏抛光，于丙酮溶液中超声清洗15min，超声波功率0.2kW；冷风吹干。

等离子体源渗氮装置：以厚度为2mm的AISI304奥氏体不锈钢制成Φ400mm×400mm金属屏作阴极，其上均匀分布1000～1500个Φ16mm孔，并与直流脉冲电源负极相接；工作台直径为300mm，可调整为直流偏压电位或悬浮电位。脉冲等离子体由炉体和阴极共同作用产生，作为等离子体源向工件表面提供渗氮所需的温度和活性粒子。工艺参数：渗氮温度为450℃，纯NH3的工作气压为300Pa，试样置于悬浮电位，处理6h。试验研究结果表明：

（1）AISI316奥氏体不锈钢于450℃，6h等离子体源渗氮后，获得了单一的高氮面心结构γN相改性层，其厚度约为17μm，峰值氮浓度达20%（原子分数），最大显微硬度为1510HV0.1N。

（2）干摩擦条件下，γN相改性层的磨损机制由奥氏体不锈钢的黏着磨损转变为氧化磨损，摩擦系数由0.88降低至0.65，磨损体积由0.13mm3降低到9.50×10-3mm3，耐磨性能的提高归因于其表层具备了高硬度和高承载能力。

（3）在3.5%NaCl溶液中，γN相改性层的自腐蚀电位比奥氏体不锈钢提高了224mV，维钝电流密度约低一个数量级，且未发生点蚀现象；γN相改性层钝化膜的容抗弧直径和相位角值均增大，电荷转移电阻Rct由原奥氏体不锈钢的1.006×105Ω·cm2增至1.377×106Ω·cm2,，双电层电容Cdl由88.4μF/cm2降低至77.8μF/cm2，说明γN相改性层的钝化膜致密性增加，表现为近纯电容特性。