表面织构与Ni-Ti合金化改善奥氏体不锈钢耐磨性的作用机制

Due to their promising merits of exceptional combination of mechanical properties, good processing performance and excellent corrosion resistance in oxidizing and reducing media, austenitic stainless steels have been adopted as engineering materials for a broad range of different applications. However the austenitic stainless steels are seldom operated in tribological-related engineering conditions by the drawbacks of low surface hardness values, high coefficient of friction and poor wear resistance. By taking the advantages of surface texturing and the superelasticity of NiTi alloy, the "surface texturing + surface Ni-Ti alloying" duplex surface treatment will be conducted on 316 austenitic stainless steel to improve its wear resistance. The association between microstructure evolution and service performance degradation of the duplex treated surface will be investigated. Influences of “the interaction between physical, chemical effects and superelasticity under friction process” on wear resistance of NiTi alloy are going to be explored. Mechanism of surface texturing and surface Ni-Ti alloying in improving the wear resistance of austenitic stainless steel will be elucidated. This project aims to realize the surface protection of austenitic stainless steel under friction and wear conditions, and then enlarge its application field. Meanwhile the findings of this project are expected to enrich surface design theory and provide scientific foundation for future development in serving damage control technology of materials.

奥氏体不锈钢因其具有良好的综合力学性能和工艺性能，且在氧化性和还原性介质中均表现出较好的耐蚀性，从而获得了广泛应用。但奥氏体不锈钢表面硬度低、摩擦系数大、耐磨性差，一般不能用于摩擦零部件。为提高其耐磨性，本项目借助表面织构和NiTi合金超弹性的优势，对 316奥氏体不锈钢进行“表面织构+表面Ni-Ti合金化”复合处理。研究复合处理表层组织演化与服役性能弱化之间的联系，探索由摩擦引起的表面物理、化学效应对NiTi合金耐磨性的影响，揭示表面织构与Ni-Ti合金化改善奥氏体不锈钢耐磨性的作用机制。本项目旨在实现奥氏体不锈钢在摩擦磨损工况下的表面防护，拓宽其应用领域，为丰富材料表面设计理论和促进材料服役损伤控制技术的发展提供理论支持。

奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能和工艺性能，且在氧化性和还原性介质中均表现出较好的耐蚀性，获得了广泛应用。但奥氏体不锈钢表面硬度低、摩擦系数大、耐磨性差，一般不能用于摩擦零部件。为提高其耐磨性，本项目借助表面织构和表面改性的技术优势，采用了“表面织构+表面改性”的复合处理模式。先在NaCl溶液中采用电化学刻蚀在316奥氏体不锈钢(316不锈钢)表面形成表面织构，再分别对表面织构化316不锈钢进行离子氮化和等离子表面镍钛合金化，对比研究了“316不锈钢”、“表面织构化316不锈钢”、“离子氮化316不锈钢”、“等离子表面镍钛合金化316不锈钢”、“表面织构+离子氮化”和“表面织构+等离子表面镍钛合金化”复合处理316不锈钢在干摩擦和脂润滑条件下与GCr15和Si3N4配副的摩擦学行为。结果表明，质量分数为10%的氯化钠溶液中电化学反应后，316不锈钢发生点蚀，表面分布有大小不等的点蚀坑；采用15%和20%浓度的溶液，316不锈钢的点蚀程度加剧，点蚀坑扩展、连接后形成了腐蚀沟槽；采用25%浓度的溶液，316不锈钢的腐蚀程度最为严重，一定厚度的表层材料直接被腐蚀去除。确定316不锈钢可以在质量分数为15%和20%的氯化钠溶液中通过电化学处理形成织构化表面。采用“表面织构+表面改性”复合处理，成功实现了316不锈钢的表面强化，复合处理充分发挥了表面织构(1、干摩擦条件下，作为贮存器捕获磨屑，降低磨粒磨损和减少摩擦界面接触面积，抑制粘着磨损；2、润滑条件下，作为润滑介质的微储存器，边界润滑及贫油条件下有效提供润滑剂)和表面改性(1、通过固溶强化或弥散强化改善表面力学性能；2、形成具有更高化学稳定性的表面改性层并发挥物理阻挡作用)在提高材料表面性能方面的优势，显著提高了316不锈钢耐磨性、且没有弱化其耐蚀性。相关结果为奥氏体不锈钢在摩擦磨损工况条件下的表面强化，控制奥氏体不锈钢磨损损伤，拓宽奥氏体不锈钢的应用领域，丰富材料表面设计理论和促进材料服役损伤控制技术的发展提供了一定的实验依据。