采用低溫等離子體氮化技術(shù)，對(duì)AISI304不銹鋼進(jìn)行表面氮化處理。考察了離子能流密度對(duì)不銹鋼氮化層性能的影響。運(yùn)用X 射線衍射、掃描電鏡和顯微硬度計(jì)等分析手段對(duì)氮化層的物相組成及表面硬度進(jìn)行分析及測(cè)量；利用球-盤摩擦實(shí)驗(yàn)在干摩擦條件下對(duì)氮化層的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：AISI304 不銹鋼經(jīng)低溫等離子體氮化處理后，形成單一高氮面心立方相γN。在氮化處理過(guò)程中，離子能流密度受工作壓力及基片負(fù)偏壓影響較大。離子能流密度變化能顯著影響不銹鋼氮化層的摩擦性能，隨著離子能流密度的增加，氮化層顯微硬度增大，摩擦系數(shù)減小，耐磨損性能上升。

　　奧氏體不銹鋼因其具有良好的力學(xué)特性、耐腐蝕性及低廉的價(jià)格，而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建材、食品工業(yè)及醫(yī)療器具等領(lǐng)域。由于它硬度較低，耐磨性能差，在腐蝕性環(huán)境中對(duì)點(diǎn)蝕敏感，因而限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。為了提高奧氏體不銹鋼的硬度，耐磨性及耐點(diǎn)腐蝕能力，廣大學(xué)者進(jìn)行了不斷地研究和改進(jìn)，如: 改進(jìn)傳統(tǒng)不銹鋼，研發(fā)新型不銹鋼及表面改性處理等。因金屬材料磨損及腐蝕等多發(fā)生于材料表面，故利用表面改性技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)金屬材料不足并獲得新型復(fù)合性能，實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用并滿足不同領(lǐng)域的特殊要求，已經(jīng)成為廣大學(xué)者重點(diǎn)研究的課題之一。

　　表面改性方法種類較多，包括：表面熱處理、機(jī)械處理、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入等。在常用的表面改性處理方法中，化學(xué)氣相沉積技術(shù)因成膜平滑均勻，工藝?yán)@鍍性良好，膜層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)污染，而被廣泛使用�；瘜W(xué)氣相沉積的溫度較高，一般為900 ～1200℃，易造成薄膜脫落，工件變形失效等。有研究表明，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行等離子體氮化處理后氮化層中因氮化鉻的形成，導(dǎo)致固溶體中貧鉻，耐腐蝕性能惡化。在表面改性處理過(guò)程中，工作氣體壓強(qiáng)、基片負(fù)偏壓和溫度、射頻功率及離子轟擊能量對(duì)成膜質(zhì)量影響較大。在以往研究中，人們只注重于前者對(duì)成膜質(zhì)量的影響，對(duì)于離子轟擊能量影響的研究較少。

　　鑒于此，本文采用低溫等離子體氮化技術(shù)，利用射頻電感耦合等離子體反應(yīng)器(RF-ICP) 對(duì)AISI304 不銹鋼進(jìn)行氮化處理，獲得了沒(méi)有鉻析出的滲氮層，引入離子能流密度反映離子轟擊在成膜過(guò)程中的作用，通過(guò)改變工作氣體壓強(qiáng)及基片負(fù)偏壓，研究離子轟擊能量對(duì)AISI304 不銹鋼氮化層摩擦性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、樣品制備

　　實(shí)驗(yàn)采用AISI304 不銹鋼片為氮化試樣，規(guī)格為20 mm × 20 mm × 0.8 mm。試樣先用丙酮清洗去除表面污染物，再依次用粗細(xì)砂紙進(jìn)行水磨處理去除表面鈍化層，最后用1200#細(xì)砂紙進(jìn)行拋光處理。氮化前，試樣分別用無(wú)水乙醇和去離子水超聲波清洗15 min，用壓縮氮?dú)飧稍锖�，放入RF-ICP 反應(yīng)器中進(jìn)行等離子體氮化處理。

　　實(shí)驗(yàn)采用ICP 表面改性系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。石英管為真空室腔體，外徑Φ40 mm，內(nèi)徑Φ32 mm，長(zhǎng)280 mm，經(jīng)機(jī)械泵和分子泵聯(lián)合抽氣，系統(tǒng)的本底真空優(yōu)于1.0 × 10 ^-4 Pa。氮化具體過(guò)程: 不銹鋼試樣放入真空室內(nèi)基片托上，通氬氣對(duì)試樣進(jìn)行濺射清洗10 min，為加強(qiáng)清洗效果，試樣施加300 V 負(fù)偏壓；通工作氣體高純氮?dú)�，利用射頻輝光放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行氮化，射頻功率80 W，氣體流量10 mL /min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ，利用手閥調(diào)節(jié)工作壓力，使其范圍為3 ～ 20 Pa，基片負(fù)偏壓0 ～500 V，沉積時(shí)間120 min，滲氮結(jié)束后繼續(xù)通N2冷卻至室溫。

　　1.2、樣品測(cè)試

　　利用毫安表及EPP2000 光質(zhì)譜檢測(cè)儀對(duì)離子束流密度及氮?dú)夥烹姽庾V實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè); 氮化層物相組成由PW3040 /60 型X 射線衍射(XRD) 儀進(jìn)行分析確定; 用SSX-550 觀察分析一體化型掃描電子顯微鏡(SEM-EDS) 檢測(cè)氮化層的元素分布、含量及厚度; 氮化層顯微硬度用401MVD 數(shù)顯纖維維氏硬度計(jì)測(cè)試，試驗(yàn)載荷25 gf，保荷時(shí)間10 s，實(shí)驗(yàn)中為了減少測(cè)量誤差，測(cè)量6 次后取平均值，定為最終顯微硬度值；摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在中科院蘭化所研制的HT-500 型球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為無(wú)潤(rùn)滑的干摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦副為直徑Φ3 mm 的SiN 陶瓷球，硬度1600 HV，試驗(yàn)載荷470 g，轉(zhuǎn)速168 r /min，磨損時(shí)間5 min。磨損結(jié)束卸載后用金相顯微鏡對(duì)磨損試樣的表面形貌及磨痕寬度進(jìn)行測(cè)量分析。

圖1 ICP 等離子體表面改性裝置示意圖

3、結(jié)論

　　用低溫等離子體技術(shù)對(duì)AISI304 不銹鋼進(jìn)行氮化處理，形成單一高氮面心立方相γN，且氮化層中未有CrN 相的析出。在氮化過(guò)程中，離子能流密度受基片負(fù)偏壓及工作壓力的影響較大，隨著基片負(fù)偏壓的增加，離子能流密度明顯增加; 隨著工作壓力的增加，離子能流密度先增加后緩慢減小。離子能流密度對(duì)不銹鋼氮化層的結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦性能影響較大，隨著離子能流密度的增加，氮化層顯微硬度增大，摩擦系數(shù)減小，耐磨損性能上升。