双相不锈钢等离子体表面改性及其耐海洋环境腐蚀与磨损性能研究

尽管双相不锈钢具有良好抗点蚀性能和较高力学性能，广泛应用于制造各种与海水和海洋环境接触的工程机械零部件。但由于硬度低，在恶劣的工况下，很容易产生严重的磨蚀现象，降低工件使用寿命。本项目采用低能电子束激发产生高浓度等离子体对双相不锈钢进行低温渗氮处理，实现在双相不锈钢表面形成30微米以上的均匀含氮奥氏体改性层，硬度达到Hv1200以上，且在海水和海洋气氛中不发生点蚀，相对腐蚀磨损寿命较改性前提高2个数量级。利用多种分析、测试方法对改性层进行微观结构和腐蚀与磨损性能进行评价，阐明改性层形成的物理机制，为解决双相不锈钢在海水、海洋环境中的腐蚀和磨损问题提供理论和技术支持。此外，新技术可以从根本上解决现有离子渗扩技术中存在因工件作为放电阴极，由于离子轰击和辉光等离子体放电特性以及空心阴极效应使得工件温度不能准确测量和控制，对于形状复杂工件处理极其困难，渗层质量难以控制等问题。

针对镍铬耐蚀不锈钢硬度低、在腐蚀环境中耐磨损性能差且因低含碳量无法像其他合金通过相变对材料进行整体或表层强化等问题，只能通过表面技术提高这类材料的耐磨损性能。目前用于材料表面改性的工艺技术大致分为两类即通过各种物理或化学方法在表面沉积一定厚度的具有相应功能的膜层或通过化学热处理方法将合金元素渗扩进入材料表面且达到一定深度。低温等离子体渗氮可以在不锈钢表面获得含氮过饱和奥氏体强化层，使其既能提高表面硬度改善耐磨性同时不降低其抗腐蚀性能。利用空心阴极放电产生高浓度等离子体进行渗氮可以克服常规渗氮所固有的缺点，获得表面光洁度高、渗层均匀性好的表面改性层。.使用往复摩擦磨损实验机，在3.5%的NaCl溶液中，对处理前后的SS2205双相不锈钢进行腐蚀磨损实验。载荷为5.7N和9.7N，实验时间为120min，速度为0.033 m•s-1。采用三维共聚焦显微镜对轮廓及磨损量进行测量，未经氮化处理的双相不锈钢表面磨损很严重，即使在小载荷下磨痕也很深，并且磨痕两侧出现明显的塑形变形。氮化处理后的双相不锈钢基本没有发生磨损，420℃保温18h氮化样品的磨痕内部甚至高于样品表面，发生明显的黏着。使用扫描电子显微镜对磨痕微观形貌进行观察，未经处理的样品的磨痕内部有明显的犁沟及裂纹，发生了严重的犁削磨损和疲劳磨损，表面黏着大量的黑色腐蚀产物。氮化处理后，双相不锈钢表面生成了均匀的N相，并且提高了表面硬度，避免了犁削磨损与疲劳磨损的发生,同时表面没有发生明显的腐蚀。