2Cr13钢的全方位离子注入与离子束增强沉积复合表面强化处理精Word文件下载.docx
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2Cr13系高铬马氏体不锈钢,广泛应用于塑性
要求较高及受冲击载荷的零件,如汽轮机叶片、螺栓等。
然而,由于2Cr13钢含碳量较低,耐磨耐蚀性较差,在一些耐磨耐蚀性要求较高的场合,必须经表面强化才能使用。
目前,利用表面强化技术改善2Cr13不锈钢的性能有过一些报道,但大部分只限
[4～7]
于单一的处理方法,很难满足复杂应用条件下的需要。
因此,本研究采用等离子体浸没离子注入
[1～3]
结合离子束增强沉积技术（PIII2IBED）,对2Cr13不
锈钢表面进行了强化处理。
实验结果表明,处理后试样的表面综合性能明显提高。
1 实验方法
1.1 实验材料制备
本研究中试样材料为2Cr13不锈钢,化学组成（wt%）和热处理条件示于表1。
表1 2Cr13钢的化学组成和热处理工艺
Table1 Thechemicalcomposition（wt%）andheattreatmentprocessof2Cr13stainlesssteel
C
Composition/wt%Heattreatment
0.16～0125
Cr12.00～14100
Si
P
S
Mn
FeBalance
≤1.0≤0.035≤0.030≤1.0
HRC≤97HV≤234
Quenching:
1000～1050℃（oil）Temper:
660～720℃（oilorair）
每组实验均准备5个样品,其中3个<
20mm×
2mm的样品分别用于显微硬度、摩擦磨损性能和点蚀阳极极化曲线测试;
1个5mm×
5mm×
2mm的用于AES测试分析;
1个10mm×
2mm的用于XPS分析。
所有试样的一个端面均经机械磨光至
μm的Cr2O3微1200号金相砂纸,然后用粒度为215粉抛光至镜面,再在丙酮中超声清洗20min。
收稿日期:
2004209219;
修订日期:
2004211222
作者简介:
刘洪喜,男（19722）,博士研究生,主要从事材料表面改性方面的研究,（E2mail）vipliuhx@
1.2 实验处理
实验在自制的多功能等离子体浸没离子注入装
[8]
置上进行。
该装置具有射频（RF）辉光放电、热灯丝点燃真空气体放电和阴极真空弧金属等离子体等多种等离子体产生手段,因此可连续进行金属和气体的PIII处理。
本底真空为910×
10
-4
Pa。
注入实
验前需进行氩离子溅射清洗30min,以除去试样表面可能残存的氧化物和油渍。
处理过程是在工件表面依次进行溅射和氮等离子体浸没离子注入,并重复几个周期以获得不同厚度的薄膜。
其中,溅射以钛靶作为阴极材料,氩气为溅射气体。
氮的PIII脉
第2期2Cr13钢的全方位离子注入与离子束增强沉积复合表面强化处理33
μs,脉冲重复频率200Hz,具体实验工艺冲宽度为20
示于表2。
1.3 性能测试对处理前后试样进行了成分分析和表面性能测试对比。
其中X光电子能谱（XPS）分析在ESCAI2MK2Ⅱ型多功能电子能谱仪上进行。
对样品表层不同深度处的化学成分、各元素的化学价态进行了测量分析。
俄歇电子能谱（AES）在PHI0/SAM型俄歇电子能谱仪上完成,以测量注入层元素的浓度2深度分布。
利用HX21000型显微硬度计测试显微硬度;
载荷5g,加载持续时间25s,为提高测量精度,样品均取10擦磨损试验在2行;
<
6mm的SiC陶瓷,常温,无润滑载荷0149N（50gf）,转速150rpm。
腐蚀实验在Potentionstat/GalranostatModel273型电化学综合测试系统上完成,对样品点蚀性能和腐蚀电位进行了测量。
参比电极为饱和甘汞溶液,辅助电极Pt片,扫描速度2mV/s,扫描电压范围-016～012V,电解液为静态且未经除氧处理的
013MNaCl溶液。
通过S2570型扫描电子显微镜（SEM）对处理前后试样的磨痕形貌及腐蚀形貌进
行了观察分析。
2 结果与分析
2.1 改性层成分分析
利用俄歇电子能谱（AES）结合Ar刻蚀技术对处理后试样改性层元素的浓度2深度分布进行了分析。
其中,Ar溅射速度/min,标样为热氧化SiO°
。
图1给出了试样1。
从图中可见,N和,随着深度的增加,其含量逐渐下降。
且N元素浓度分布不再是PIII时的高斯分布,而是在整个薄膜厚度方向上含
+
量都较高。
按理论推测,n次循环处理理应出现2n个峰值浓度,但由于N原子在Ti和不锈钢基体中的射程差值较小和热扩散作用,使得峰之间基本处于平台位置,即PIII2IBED加宽了N原子在高浓度处的平台宽度。
试样1和5的薄膜厚度分别为120nm和56nm,均远小于Ti沉积层厚度（根据表2可估
表2 PIII2IBED混合处理实验参数
Table2 TheexperimentalparametersofPIII2IBEDtechnique
SampleNo.
Depositionthicknessofeachtime/nmDepositiontimeofeachtime/min
Implantedvoltage/kV
Doseofeachtime/×
10ions・cmImplantedtimeofeachtime/min
Cycleofrepetition
16
-2
1543535.012454
2463032.510355
3382530.08306
4312027.56207
5231525.04158
6151022.52109
图1 处理后试样的AES元素浓度2深度分布
Fig.1 TheAESconcentrationdepthprofilesfortreatedsamplesbyPIII2IBEDtechnique
（a）sampleNo.1;
（b）sampleNo.5
34航 空 材 料 学 报第25卷
算）。
这是由于离子注入时,高能氮粒子轰击引起
沉积Ti原子严重溅射的缘故,其结果是使沉积率下降。
但溅射又会使结合较弱的原子脱离基体表面,使一些不牢固的化学键断开而重新形成更牢固的化学键,从而使薄膜致密度和膜基结合力提高。
另外,两个试样表面均有一个O峰始终伴随着Ti峰出现,这是因为二者之间亲和力很强的缘故。
图2和3分别是试样1表面改性层在不同深度处不同元素对应的XPS谱图。
其中,Ar溅射速度为4nm/min,以C的标准结合能（28510eV）为参考,分别测量了4nm和60nm深处改性层中N,Ti,三元素的1s能谱和2p能谱。
1eV对应的是α′含″相（Fe16N2）,大部分氮原子以八面体间隙原子形式存在;
40219eV左右对应的峰是金属氧氮化合物范围,从AES图谱可知,试样表面氧原子含量较高,因此部分注入的N
原子以氮氧化合物形式存在。
图3a中,40219eV处的峰消失,而在396145eV左右出现一个较大的峰位,与CrN和TiN的峰位相近,说明此深度下氮化物大量生成,它们弥散分布于改性层中,是2Cr13不锈钢表面显微硬度和耐磨性提高的主要原因。
对应α′含氮马氏体的39911eV处的峰依然存在。
图2b中,Cr2p结合能在576145eV左右对应着Cr2O3和CrO2等Cr的氧化物能谱范围,这是因为试样表面存在氧的污染,导致。
在3b,结合能576eV左右,范围（CrN结合能为2N结合能为57611eV）。
可见,在60nm深处,Cr主要以CrN和Cr2N形式存在。
图2c中,Ti2p的峰值能量对应在458145eV左右（标准TiO2的Ti2p能谱位在458170eV,TiN的峰位在45518eV）。
可见,试样表面Ti还是主要以氧化物形式存在,这是由于表面氧的污染和Ti与O
有较强亲
图2 试样1表层4nm下不同元素的XPS能谱 Fig.2 TheXPSfordifferentelementsunder4nm
depthofsampleNo.1surfacelayer（a）XPSofN1s;
（b）XPSofCr2p;
（c）XPSofTi
2p
图3 试样1表层60nm下不同元素的XPS能谱 Fig.3 TheXPSfordifferentelementsunder60nm
（c）XPSofTi2p
第2期2Cr13钢的全方位离子注入与离子束增强沉积复合表面强化处理35
和力的缘故。
在60nm处,Ti2p能谱对应峰位为456135eV左右,表明Ti2O3减少,大部分Ti已形成了TiN（结合能为455181eV）。
2.2 表面显微硬度
而摩擦系数较低。
随着摩擦圈数的增加,即摩擦过
程中期,处理试样的摩擦系数开始缓慢上升。
当摩擦圈数进一步增大,最后改性层被磨透,使摩擦系数迅速上升,接近基体的水平。
从整个摩擦过程来看,处理试样的摩擦系数在总体上仍低于未处理试样,即磨损性能得到了改善。
而且可以发现,在注入剂量相近的情况下,采用较高的注入电压和较少的溅射2注入循环周期,耐磨性能的提高更加明显。
表3中给出了磨损圈后各试样的扫描电,经PIII2IBED处理后,,最小的磨痕30%。
在注入剂量相近的情况下,随着注入电压的提高和溅射2注入循环周期的减少,磨痕宽度明显下降,耐磨性能提高,这与摩擦系数的反映结果一致。
2.4 腐蚀性能分析
图5是不同试样Tafel实验测试结果。
从图
中
表3给出了试样表面的显微硬度测试结果。
从
图中可见,经PIII2IBED处理过的试样,其表面显微硬度均高于基体,最大值为700HV01005,增幅达
μm,大于改性8014%。
但压头压入深度均超过015
μm）,故测得的硬度值实际层厚度（最大不超过012
上是改性层硬度和基体硬度值的综合反映,改性层
的实际硬度远高于此测量值。
2.3 摩擦磨损性能
图4曲线。
即摩擦过程初期,。
这是由于摩擦发生在改性层与球之间,此时因改性层中存在大量细小的、弥散分布的硬质氮化物相,使得表层硬度较高,球与改性层之间不易发生粘着,因
图5 不同试样的腐蚀电位与腐蚀电流密度的对应关系
图4 不同试样的摩擦系数与滑动圈数的对应关系
Fig.4 Frictioncoefficientvsslidingcyclesofdifferentsamples
Fig.5 Corrosionpotentialasafunctionofcurrentdensity
ofdifferentsamples
表3 PIII2IBED处理后试样表面的测试结果
Table3 ThedifferenttestresultsofsamplesbyPIII2IBEDtechnique
SampleNo.D/×
10ions・cm
17
014.87000.52-0.1490.50542.990.074
25.06800.53-0.3172.4888.7290.103
34.86520.54-0.1372.7927.7780.160
44.26560.54-0.2218.1507.6650.153
53.26100.56-0.1091.71212.680.172
61.84990.62-0.0911.61313.460.189
—
3880.70-0.465
HV0.005/kgf・mm
μmP/
V/V
μA・cmJ/
ΩR/k
W/mm
12.8901.6850.256
Note:
where,D,HV0.005,P,V,J,RandWareimplanteddose,microhardness,indenterdepth,corrosionpotential,corrosioncur2
rentdensity,corrosionresistanceandtrackwidth,respectively.
36航 空 材 料 学 报第25卷
可见,相对于基体而言,处理后试样腐蚀极化曲线均
明显向左上方移动,腐蚀电位上升,腐蚀电流密度减小。
表3中显示了Tafel外推法得出的试样腐蚀电流密度、腐蚀电位和极化电阻值。
其中,腐蚀电位最大提高5倍,腐蚀电流密度最大降低26倍,且随注入电压提高,试样腐蚀速度减慢,耐蚀性能提高。
图6是不同试样在扫描电镜下的腐蚀形貌观察。
从图可见,处理后试样的蚀孔面积和单位面积的蚀点数量均较小。
表明合成薄膜后,试样表面的致密度得到了提高,孔隙率下降,即PIII2IBED可改善2Cr3不锈钢的耐点蚀性能,且随着注入电压和注入剂量的增大,改善效果进一步增强
图6 不同试样的腐蚀形貌SEM照片
（a）基体;
（b）试样1;
（c）试样2
Fig.6 SEMmorphologiesofcorrosionsurfaceforvarioussamples
（a）substrate;
（b）sampleNo.1;
（c）sampleNo.5
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[4]朱蓓蒂,曾晓雁,李红雨,等.激光熔覆处理对2Cr13钢
3 结 论
（1）2Cr13不锈钢经PIII2IBED混合处理后,在
表面层中形成了TiN和CrN等硬化相,并有部分氮原子以过饱和形式固溶于基体中。
（2）与基体相比,处理后的试样表面显微硬度均有所增大,最大增幅达8014%;
腐蚀电位最大提高了5倍,腐蚀电流密度降低了26倍,耐点蚀性能得到显著改善。
（3）处理后试样的抗磨性能明显增强,摩擦系数由017～018降至012～013,磨痕宽度减少了4倍,磨损过程中粘着现象大大减轻,磨损机制由激烈的粘着磨损逐渐转变为磨粒磨损。
（4）在注入剂量相近的情况下,被处理试样的表面显微硬度、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能的改善程度均随着注入电压的增大而提高。
表明PIII2IBED是2Cr13不锈钢表面强化处理的一种有效手段。
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第2期2Cr13钢的全方位离子注入与离子束增强沉积复合表面强化处理37SurfaceModificationof2Cr13SteelbyPlasmaImmersionIon
ImplantationCombinedwithIonBeamEnhancedDeposition
LIUHong2xi, TANGBao2yin, WANGLang2ping, WANGXiao2feng, WANGYu2hang, YUYong2hao（StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China）Abstract:
Surfacemodificationof2Cr13stainlesssteelwascarriedoutusingpmaimonon（PIII）combinedwithionbeamenhanceddeposition（IBED）technique.ThechemicalofvariouselementswerecharacterizedbyAugerElectronSpectroscopy（AES）andXs）Themicrohardness,corrosionre2sistance,frictionandwearbehaviorofthat,titaniumnitrogen（TiN）andchromiumni2trogen（CrN）phasewiththesubstrate,themicrohardnessofthetreatedsamplesareen2hancedsignificantly,theumby80.4%;
frictioncoefficientisreducedto0.2～0.3;
weartrackwidthandcorrosioncurrentdensityareby4timesand26times,respectively.Corrosionpotentialisincreasedby5times.Thewearandcorro2sionpropertiesareimprovedsignificantlybyPIII2IBEDtechniques.
Keywords:
plasmaimmersionionimplantation（PIII）;
ionbeamenhanceddeposition（IBED）;
2Cr13stainlesssteel;
wearandcor2rosionbehavior
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