利用表面機(jī)械研磨（SMAT）對(duì)304不銹鋼進(jìn)行表面自納米化處理，并對(duì)其納米化表面進(jìn)行滲碳處理。利用光學(xué)顯微鏡、X-射線衍射儀、磨料磨損試驗(yàn)機(jī)和顯微硬度儀對(duì)處理后的不銹鋼表面組織和性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：經(jīng)SMAT處理并滲碳后，滲碳層晶粒細(xì)化，組織發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，顯著提高了材料的力學(xué)性能；表面機(jī)械研磨處理后的材料的滲碳層厚度明顯高于直接滲碳的粗晶材料的滲碳層厚度，滲碳層組織中主要碳化物為Cr7C3和Cr23C6，顯微硬度也有明顯提高；經(jīng)過(guò)表面自納米化和滲碳復(fù)合處理，材料的耐磨性得到較大提升。

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。但是，其硬度不高，抗摩擦磨損性能較差，不能滿足既耐磨又耐腐蝕的復(fù)合性能要求，因此，其使用范圍受到了很大的限制。在服役環(huán)境中，304不銹鋼作為一種典型的奧氏體不銹鋼，其失穩(wěn)（如疲勞、磨損和腐蝕等）大多開(kāi)始于材料表面。材料表面組織結(jié)構(gòu)和性能對(duì)疲勞失效影響顯著，因此，優(yōu)化表面的組織結(jié)構(gòu)和性能可以有效地提高零件的可靠性。奧氏體不銹鋼低溫離子表面硬化處理可以在保持不銹鋼耐蝕性的前提下，大幅度提高其表面硬度和耐磨性。常用的奧氏體不銹鋼低溫離子表面硬化處理的方法有離子滲氮、離子滲碳和離子氮碳共滲。這些方法在一定程度上提高了材料表面性能。

近年來(lái)，材料納米化的技術(shù)研究不斷進(jìn)步，納米技術(shù)的不斷發(fā)展，使納米化技術(shù)也成為表面處理的一種有效手段。納米材料晶粒十分細(xì)小，晶界面缺陷密度高，材料中的界面所占的體積百分?jǐn)?shù)增加。葛利玲等利用超音速微粒轟擊技術(shù)(SFPB)對(duì)工程上常用的20Cr鋼進(jìn)行表面30min納米化處理后進(jìn)行低溫氣體滲氮處理，在450℃滲氮3h后獲得了具有實(shí)用價(jià)值的化合物層，厚度6～10μm，滲氮6h后化合物層厚度增加到12～15μm，氮化層深度達(dá)到約250μm，表面硬度提高到1185HV。目前，對(duì)于304不銹鋼納米化滲氮的復(fù)合工藝已有相關(guān)研究，對(duì)于單純表面納米化和滲碳處理的研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟，而對(duì)于304不銹鋼納米化后再滲碳的這種新型復(fù)合工藝研究相對(duì)較少。試驗(yàn)主要采用表面機(jī)械研磨（SMAT）方法，將304不銹鋼進(jìn)行表面納米化處理，并對(duì)納米化表面進(jìn)行離子滲碳處理。這種復(fù)合工藝在不降低材料韌性的同時(shí)，提高了材料表面的強(qiáng)度，納米化滲碳在材料表面形成合理的硬度梯度分布，提高材料的綜合力學(xué)性能。對(duì)表面機(jī)械研磨后經(jīng)滲碳處理的304不銹鋼進(jìn)行金相組織觀察、X-射線衍射分析、磨損試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)量，對(duì)其顯微組織和性能進(jìn)行研究。

1材料與方法

1.1試樣制備

試驗(yàn)材料是厚度為5mm的熱軋態(tài)304不銹鋼板，化學(xué)成分如表1所示。在機(jī)械研磨之前，將板材切割成20mm×10mm×5mm的試樣，通過(guò)打磨拋光以除去表面氧化膜，使表面潔凈平整。

1.2試驗(yàn)方法

材料表面機(jī)械研磨采用SNC-1型研磨實(shí)驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，用8mm直徑的不銹鋼小球，在振動(dòng)頻率50Hz下處理30min，并采用QS6110-H高溫多用爐對(duì)試樣進(jìn)行滲碳處理，處理工藝：滲碳溫度923℃，滲碳時(shí)間7h，碳勢(shì)（擴(kuò)散時(shí)甲醇用量）0.85~0.87，隨爐冷卻。通過(guò)VK-9710型激光共聚焦顯微鏡觀察滲碳層的顯微組織，選用5%FeCl3溶液為腐蝕液；采用HVS-1000Z型顯微維氏硬度計(jì)，在50g載荷下，保荷20s，測(cè)量納米化前后經(jīng)滲碳處理的試樣表面的硬度值；PANalyticalX’PertPRO型X射線衍射分析儀對(duì)滲碳層的顯微組織進(jìn)行表征；ML-10型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣表面的耐磨性，載荷300N，平均摩擦因數(shù)為0.011，用精度0.1mg的電子分析天平來(lái)進(jìn)行稱重。

2結(jié)果與討論

2.1組織分析

圖2為粗晶（未SMAT）304不銹鋼滲碳處理后的金相組織。304不銹鋼未經(jīng)表面處理時(shí)，組織粗大，經(jīng)過(guò)滲碳，碳化物大多在晶界處形成[15]，晶界較暗，化合物層（A區(qū)）厚度大約為100μm，過(guò)渡層（B區(qū)）厚度約為300μm。圖3為表面機(jī)械研磨(SMAT)后304不銹鋼滲碳處理的金相組織。經(jīng)過(guò)表面納米化和滲碳的復(fù)合處理，化合物層厚度約為150μm，過(guò)渡層厚度在200μm左右，由于材料在表面處理過(guò)程中受到強(qiáng)大的外力作用，從而由表面到心部產(chǎn)生不同程度的塑性變形，表面的塑性變形最為強(qiáng)烈，幾乎無(wú)法看到清晰的晶界。滲碳處理使材料表面形成少量碳化物，經(jīng)納米化滲碳的材料表面碳化物較多，且更為細(xì)小。這可能是由于經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨使試樣表面產(chǎn)生了大量的塑性變形，變形有利于彌散細(xì)小的碳化物在表面釘扎。

由圖2和圖3對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)滲碳處理后，不論是粗晶材料還是表面納米化材料表面都大致分為三層，由表面到心部依次為化合物層、過(guò)渡層和基體。其中化合物層呈明顯的亮白色(A區(qū))，過(guò)渡層可見(jiàn)明顯的晶界（B區(qū)），基體（C區(qū)）部分則保持著304不銹鋼在熱軋過(guò)程中形成的流線型組織。由于表面納米化處理時(shí)304不銹鋼表面發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形，晶粒得到細(xì)化的同時(shí)還產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)、孿晶等缺陷組織[16]，這為滲碳過(guò)程中碳原子的擴(kuò)散提供了更多的通道，提高了碳原子的擴(kuò)散系數(shù)，降低了碳原子的擴(kuò)散激活能。除此之外，經(jīng)過(guò)表面納米化，材料發(fā)生了奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，在材料表面生成了一定量的馬氏體相。納米化滲碳的試樣晶粒明顯的細(xì)化，晶界的數(shù)量增加，且顏色也發(fā)生了明顯的變化。綜上所述，經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨后碳原子的擴(kuò)散能力明顯提高，主要是因?yàn)闄C(jī)械研磨時(shí)，一方面發(fā)生了奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，另一方面是塑性變形導(dǎo)致了位錯(cuò)和晶界的增加。

2.2XRD分析

圖4為304不銹鋼未經(jīng)處理、未SMAT滲碳層和SMAT滲碳層的X射線衍射圖譜。由圖4可知，304不銹鋼未經(jīng)處理時(shí)，其組織是奧氏體組織，衍射峰很強(qiáng)，且較寬。未納米化的滲碳試樣存在大量的奧氏體組織，且衍射峰強(qiáng)度較高，衍射峰寬度較窄，表明未經(jīng)納米化的試樣組織主要以?shī)W氏體為主。由圖4可知，304不銹鋼表面納米化后的滲碳試樣中，奧氏體組織幾乎全部消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和碳化物，衍射峰強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯減弱，寬度出現(xiàn)寬化現(xiàn)象，由于SMAT的作用，304不銹鋼表面發(fā)生塑性變形，誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變。

對(duì)比圖4中3種狀態(tài)下材料的X射線衍射圖譜，未納米化試樣與納米化的試樣中都存在大量Cr7C3、Cr23C6，這是由于304不銹鋼化學(xué)成分中存在大量Cr元素，Cr屬于強(qiáng)碳化合物形成元素。經(jīng)滲碳后，Cr元素與C元素形成常見(jiàn)的鉻碳化合物。經(jīng)納米化處理的材料中，鉻碳化合物相對(duì)較多，這可能是由于機(jī)械研磨使材料表面產(chǎn)生了塑性變形，碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于碳化物的形成，同時(shí)由于材料發(fā)生較大的塑性變形，產(chǎn)生切變共格，應(yīng)變誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。

2.3硬度分析

如圖5所示，分別對(duì)表面機(jī)械研磨前后經(jīng)滲碳處理的試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，由圖可知，機(jī)械研磨納米化使304不銹鋼滲碳試樣外表面的硬度，由納米化之前的553.3HV0.05提高到了納米化后的647.5HV0.05。由圖5可知，在深度小于400μm表面層，納米化及未納米化304不銹鋼滲碳試樣的硬度都有明顯的提高。滲碳和納米化都能提高304不銹鋼的表面硬度。只滲碳時(shí)，碳原子固溶于奧氏體晶格內(nèi)產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，同時(shí)部分碳化物析出產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。納米化后再滲碳處理的試樣和未經(jīng)過(guò)表面納米化處理的滲碳試樣相比，經(jīng)過(guò)表面納米化處理的滲碳試樣的表面硬度分布更好。在納米化后進(jìn)行滲碳處理，304不銹鋼的表面硬度比基體硬度提高了3倍以上。這是由于經(jīng)機(jī)械研磨后，試樣表面產(chǎn)生了大量塑性變形，材料產(chǎn)生了形變強(qiáng)化和晶粒細(xì)化；其次，滲碳后形成的碳化物顆粒彌散分布在組織中達(dá)到了彌散強(qiáng)化的效果，同時(shí)滲碳時(shí)部分碳原子固溶于組織中，達(dá)到固溶強(qiáng)化的效果。形變強(qiáng)化、晶粒細(xì)化、碳化物生成和固溶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制的共同作用使試樣表面硬度達(dá)到最高，過(guò)渡區(qū)次之，基體硬度相對(duì)較低。

2. 4摩擦磨損

表2為SMAT前后304不銹鋼滲碳處理后的試樣經(jīng)50min摩擦磨損試驗(yàn)的磨損量。由表2可知，304不銹鋼未經(jīng)SMAT的平均失重為1.49×10-2g，而經(jīng)過(guò)SMAT的不銹鋼平均重只有6.2×10-3g，可見(jiàn)SMAT對(duì)304不銹鋼的耐磨性有較大的提高。

圖6為SMAT前后304不銹鋼滲碳后經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的磨損量，由圖6可知，在15min以前納米化滲碳的磨損量明顯小于只滲碳的試樣，而在15min到25min之間，納米化滲碳試樣曲線斜率反而大于未納米化滲碳試樣，即在這個(gè)時(shí)間段納米化滲碳試樣在單位時(shí)間內(nèi)的磨損量反而更大，這可能跟材料本身的成分、組織結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷等有關(guān)，在25min之后納米化滲碳試樣的磨損量又低于未納米化滲碳試樣的磨損量。綜上所述，經(jīng)過(guò)納米化的滲碳不銹鋼試樣的耐磨性更好,這是由于納米化過(guò)程中，304不銹鋼表面晶粒細(xì)化，且產(chǎn)生塑性變形，缺陷數(shù)量增加為滲碳提供了理想的通道。表明組織越均勻、晶粒越細(xì)小，滲碳后硬度越高、耐磨性能越好。

3結(jié)論

(1）SMAT使304不銹鋼產(chǎn)生塑性變形，缺陷數(shù)量增加，為滲碳提供了理想的通道，顯著增加了滲碳層深度；

(2）SMAT使304不銹鋼產(chǎn)生大量塑性變形，應(yīng)變誘使奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，從而獲得硬度更高的馬氏體組織；

(3）SMAT使304不銹鋼滲碳層晶粒得到細(xì)化，304不銹鋼表面的顯微硬度由未納米化滲碳的553.3HV0.05提高到了納米化滲碳的647.5HV0.05，顯微硬度得到提高的同時(shí)，耐磨性也得到顯著提高，50min摩擦磨損試驗(yàn)后，磨損量由未納米化滲碳1.49×10-2g降為納米化滲碳的6.2×10-3g。