表面纳米化预处理对316L不锈钢渗氮层摩擦学性能的影响

316L不锈钢具有良好的抗腐蚀、抗氧化和耐高温等性能，广泛应用于航空、航天、交通运输、化工等领域。但因其硬度低、耐磨性较差，在常规的服役条件下常因表面磨损而过早失效，使其推广应用范围受到了一定限制。虽然316L奥氏体不锈钢不能像一般钢铁材料通过相变热处理进行强化，但其表面具有很高的加工硬化指数和良好的被改性响应性，因此可应用表面工程技术来改善316L不锈钢表面的耐磨性能。

离子渗氮技术具有渗层均匀、工艺简单、重复性好以及无污染等优点而得到广泛应用。离子渗氮是一个扩渗过程，经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性，但是为了加速扩散而采取的高温加热又往往带来心部强度下降和变形等副作用，同时也存在着渗氮层浅、硬度低且硬度梯度大导致表面层容易发生残余压应力的松弛和表面层剥落等问题，成为制约该项技术推广应用的瓶颈。

金属材料经表面纳米化处理后可产生大量的晶界和位错等缺陷，在提高金属材料表层的强度、硬度的同时，能为原子在材料表面扩散提供通道，有利于表面化学元素的渗入。同时表面纳米化能使材料表面的化学活性显著提高，有利于化合物的形成，可大大降低金属材料表面渗氮处理温度和缩短处理时间。因此，如果将表面纳米化技术和离子渗氮工艺结合起来对316L不锈钢表面进行复合强化处理，将有望克服常规离子渗氮存在的问题与不足，改善316L不锈钢表面的摩擦磨损性能。研究表明：

（1）利用超声滚压技术对316L不锈钢表面进行纳米化处理后，表层组织结构由奥氏体+马氏体组成。晶粒尺寸由原始试样36μm细化为19nm，显微硬度由190HV提高到340HV。这种表面强化层可增强渗氮试样的催渗效能和提高对渗氮层的支撑强度。

（2）在相同的离子渗氮工艺条件下，USRP处理后渗氮层和直接渗氮层均由S、γ’、ε相和CrN组成，平均厚度均约为20μm。USRP处理后渗氮层的平均含氮量为15.79%，是直接渗氮层含氮量5.48%的2.88倍。表面硬度1100HV0.5N是直接渗氮层950HV0.5N的1.15倍。渗氮试样硬度呈梯度变化的特点可充分发挥材料的优异性能。

（3）在相同的摩擦磨损试验条件下，USRP处理后渗氮试样的摩擦系数和磨损失重仅为0.057和4.600mg，比直接渗氮试样的摩擦系数降低了0.004，耐磨性是直接渗氮试样的2.76倍。两种渗氮试样的磨损机制以氧化磨损为主。