基体微观组织对低温等离子体渗氮与PVD涂层复合处理马氏体和双相不锈钢摩擦学性能的影响

《Results in Surfaces and Interfaces》：The influence of substrate microstructure on the tribological performance of low-temperature plasma nitrided and PVD-coated martensitic and duplex stainless steels

　　

系统研究了将低温等离子体渗氮（LTPN）与物理气相沉积（PVD）涂层相结合的复合表面处理对双相与马氏体不锈钢的影响，重点关注基体微观组织和涂层类型的作用。研究人员对AISI 630和AISI 329钢进行低温渗氮处理，随后沉积三种不同的PVD结构：TiCN + TiAlN、AlCrN以及TiCN + TiAlN + AlCrN。采用电子通道衬度成像（ECCI）、电子背散射衍射（EBSD）和能量色散X射线能谱（EDS）对基体微观组织进行表征；分别通过ECCI和显微硬度测试评估渗氮层厚度与硬度。进一步考察了PVD涂层的表面粗糙度（Rk、Rpk、Rvk）、力学性能、附着力、摩擦与磨损行为。结果表明，LTPN分别在AISI 630和AISI 329上形成厚度为22.6和16.22 μm的渗氮层，记录到的最大表面硬度分别为1084和1029 HV0.05。不同涂层的测试结果显示出明显差异：对于AISI 630复合处理样品，Rk、Rpk和Rvk分别分布在0.31–0.80、0.26–0.53和0.12–0.27 μm范围内；对于AISI 329复合处理样品，上述参数分别为0.28–0.76、0.28–0.55和0.15–0.36 μm。测得的涂层硬度总体上在AISI 630样品中更高，而AISI 329试样则表现出更高的磨损率、更好的附着力以及更不稳定的摩擦因数。对比结果强调，基体微观组织与涂层类型均显著影响表面粗糙度演化、力学响应及摩擦学行为。

该文发表于《Results in Surfaces and Interfaces》，围绕不锈钢表面强化中的一个关键问题展开：在同时要求耐腐蚀性、承载能力和耐磨减摩性能的工程服役条件下，传统不锈钢虽然具备良好的耐蚀性与结构可靠性，但其表面硬度偏低、摩擦学性能有限，因而难以满足高负荷、长寿命工况的需求。低温等离子体渗氮（LTPN）能够在抑制铬氮化物析出的温度范围内实现表面氮过饱和，从而提高硬度、降低磨损并尽可能保持耐蚀性；物理气相沉积（PVD）硬质陶瓷涂层则可进一步降低摩擦和磨损。然而，单独PVD涂层对基体承载能力高度敏感，若沉积于未经预处理的低硬度不锈钢上，容易发生过早失效。因此，LTPN与PVD相结合的复合表面处理成为兼顾扩散强化支撑与表面功能涂层性能的有效路径。尽管如此，双相不锈钢与马氏体不锈钢在该类复合处理中的响应仍缺乏系统认识，尤其是基体微观组织如何影响渗氮层形成、表面粗糙度演化以及最终摩擦磨损行为，尚不明确。基于此，研究人员选取AISI 630沉淀硬化马氏体不锈钢和AISI 329双相不锈钢，系统考察低温渗氮后再沉积不同PVD涂层架构时，基体微观组织对表面形貌、力学性能、附着行为和摩擦学响应的影响，并据此揭示复合表面处理性能形成的组织—结构—性能关联。研究表明，较均匀细化的AISI 630基体更有利于获得厚度更大、均匀性更好的高硬度渗氮扩散层，并进一步支撑涂层获得更高硬度和更低磨损；而组织较粗大且相分布不均的AISI 329虽表现出较好的涂层附着性，但其表面粗糙度特征和摩擦行为波动更明显，整体耐磨表现较弱。该研究的重要意义在于为双相和马氏体不锈钢复合表面工程优化提供了明确依据，即不仅要选择合适的涂层体系，也必须将基体微观组织纳入设计变量。

研究人员采用的主要技术方法包括：以工业可用状态的AISI 630与AISI 329棒材为基体，先实施450°C、2 h低温等离子体渗氮，再连续在真空条件下沉积三类弧离子镀PVD涂层；利用电子通道衬度成像（ECCI，利用电子通道效应显示组织衬度）、电子背散射衍射（EBSD）和能量色散X射线能谱（EDS）表征基体与渗氮层微观组织；通过显微硬度和ISO 18203方法确定渗层深度；采用X射线衍射（XRD）分析涂层相结构，纳米压痕评估硬度与弹性模量，Rockwell压痕法评价附着力，针-盘摩擦磨损试验和轮廓测量定量分析摩擦因数与磨损率。

3.1. Microstructural characteristics
研究首先对两类基体的初始微观组织进行了系统鉴定。ECCI截面结果显示，AISI 630呈均匀的马氏体组织；AISI 329则呈铁素体-奥氏体双相组织，并由于前期冷加工且未退火而表现出拉长的晶粒形貌。EBSD进一步表明，AISI 630由马氏体和位于马氏体板条之间的残余奥氏体组成。EDS面分布结果显示，AISI 630中Cr分布较均匀，Ni呈板条状富集并对应奥氏体稳定区，Nb则形成局部富集区；AISI 329中Cr、Mo富集于铁素体相，Ni、N富集于奥氏体相。由此得出，两种材料均具有双相特征，但AISI 630的相分布更细小且均匀，而AISI 329的铁素体—奥氏体组织较粗大、拉长且分布不均，这种初始组织差异构成后续渗氮与涂层响应差异的基础。

3.2. Nitrided layer characteristics
在相同LTPN条件下，两种钢均形成了高硬度扩散层，且未见化合物层形成，这与处理温度低、时间短有关。截面观察表明，AISI 329的渗氮层明显薄于AISI 630，研究人员将其归因于更高合金含量对氮扩散的抑制。ECCI显示，AISI 329渗层内部具有更强的不均匀性，反映出相组成和化学成分依赖的氮致晶格膨胀差异；同时，ECCI还能在无需化学腐蚀的情况下区分渗层中的奥氏体与铁素体区域。两类材料表层及次表层均观察到微裂纹，说明处理过程中存在较高内应力释放。硬度测试表明，AISI 630近表面硬度为1084 ± 13 HV0.05，高于且明显均匀于AISI 329的1029 ± 141 HV0.05。按硬度法测得，AISI 630渗层厚度为22.6 ± 1.48 μm，AISI 329为16.2 ± 2.22 μm；而ECCI可见层厚分别为14.7 ± 0.85 μm和8.58 ± 0.47 μm。研究进一步指出，ECCI观察到的层厚与EDS线扫中N/Fe信号强度比最大区域相对应。这一结果说明，基体组织均匀性不仅影响氮扩散深度，也影响渗氮层的厚度离散性和硬度波动。

3.3. Coating characteristics
XRD结果表明，AA型TiCN + TiAlN涂层和BB型AlCrN涂层均表现为NaCl型立方结构，BA型TiCN-TiAlN-AlCrN梯度涂层则呈现前两者峰型叠加，未形成新相或新中间层；各样品未见明显峰位偏移或展宽，说明基体对涂层相结构和内部应力影响不显著。截面观察显示，各涂层整体连续、缺陷较少，厚度较稳定。值得注意的是，渗氮表面原有的大尺度起伏会传递至后续PVD层，说明涂层具有较高表面顺应性。粗糙度参数分析表明，与AISI 630相比，AISI 329基体上的复合处理样品普遍具有更高Rpk与Rvk、更低Rk，意味着其表面尖峰更突出、谷更深，而承载核心区域相对更平缓。附着力测试中，AA样品为HF0，BB样品为HF1，BA样品表现相近；尽管等级接近，但AISI 329样品裂纹扩展较弱，整体附着表现更好。纳米压痕结果显示，AA涂层在两类基体上均具有最高硬度和较高弹性模量，且弹性功最高、塑性功最低，表明其以弹性响应为主并具备更好的抗裂能力；BB涂层硬度最低、H/E比最低，塑性功较高；BA涂层性能介于二者之间。总体而言，AISI 630基体上的涂层普遍表现出更高硬度和更高或相当的H/E比，说明较优的基体支撑有利于复合体系的力学性能提升。

3.4. Tribological characteristics
摩擦磨损结果进一步证实了基体微观组织与涂层类型的耦合作用。630AA在整个测试过程中摩擦因数（COF）较稳定，而329AA在磨损初期噪声明显、后期存在多个波动峰值。研究人员将其与329AA较高Rpk和Rvk、较低Rk所对应的表面峰谷特征联系起来：初期突峰磨平导致接触状态快速变化，后期较小的核心粗糙深度又可能引发摩擦升高。磨痕形貌显示，AA样品主要发生磨粒磨损，并伴有局部涂层剥落和氧化碎屑形成。对于BB涂层，329BB尽管磨损更严重，但其摩擦因数明显低于630BB；磨痕观察显示，630BB形成连续氧化膜，而329BB则以深平行沟槽为主、氧化较少，提示不同磨损机制导致了不同摩擦响应。对于BA梯度涂层，两类样品在前约500 m滑动阶段表现出类似AA涂层的摩擦特征，随后摩擦因数明显上升。磨痕分析表明，表层较薄TiCN层被磨穿，暴露下层TiAlN，因此前半程摩擦主要反映TiCN特性，后半程则更多体现TiAlN层响应。轮廓测量和磨损率计算表明，AA涂层磨损体积和比磨损率最低，BA居中，BB最差；同时，AISI 329基体样品在所有涂层体系下均表现出更高磨损体积。具体数值上，630AA、630BB、630BA的比磨损率分别为3.89、6.40、5.77 × 10^-7 mm³/(N·m)，而329AA、329BB、329BA分别为4.36、7.59、6.28 × 10^-7 mm³/(N·m)。对SiC对偶球的EDS分析发现，表面嵌入了与被测涂层化学组成相近且富氧的转移物，表明各体系普遍存在磨粒磨损与黏着磨损并伴随氧化第三体碎屑形成。

综合讨论表明，该研究清晰揭示了复合表面处理性能并非仅由涂层本征性质决定，而是由“基体微观组织—渗氮扩散层—表面粗糙度—涂层力学响应—摩擦磨损机制”这一链式关系共同控制。AISI 630因组织更均匀、渗层更厚且硬度分布更稳定，从而为PVD涂层提供了更优支撑，最终表现为更高涂层硬度、更稳定摩擦过程和更低磨损。AISI 329虽因特定界面响应而呈现较好附着性，但其组织与成分不均匀性会放大渗氮层和表面形貌的离散性，进而使摩擦系数波动增强、磨损加剧。由此可见，优化双相和马氏体不锈钢复合表面处理时，应同时关注基体组织控制与涂层架构匹配，而不能仅依赖单一表面工艺参数。

研究结论部分可译为：
本研究中，AISI 630与AISI 329这两类分别代表沉淀硬化马氏体不锈钢和双相不锈钢的材料，接受了由低温等离子体渗氮与弧离子多层PVD涂层构成的复合表面处理。研究人员采用电子显微技术，包括电子通道衬度成像（ECCI）、能量色散X射线能谱（EDS）和电子背散射衍射（EBSD），对微观组织、等离子体渗氮层和涂层进行了表征；并通过表面粗糙度测试、销-盘摩擦磨损试验以及仪器化纳米压痕评估了复合处理试样的摩擦学行为。分析表明：
LTPN在马氏体和双相不锈钢表面均形成了高硬度扩散层，且未形成化合物层。AISI 630和AISI 329基体记录到的最大表面硬度分别为1084 ± 13和1029 ± 141 HV0.05。马氏体材料按硬度测得的层厚为22.6 ± 1.48 μm，而双相基体为16.2 ± 2.22 μm。此外，借助ECCI能够对渗氮层进行表征，并突出显示AISI 329材料中不均匀的渗层特征。采用ECCI评估得到的层厚通常更低，对马氏体和双相材料分别为14.7 ± 0.85 μm和8.58 ± 0.47 μm；这些层厚与EDS线扫中氮/铁信号强度最大区域相对应。
LTPN还通过改变渗氮基体的表面粗糙度，进一步影响了后续涂层表面的粗糙度，且所得粗糙度参数取决于所用基体材料。双相不锈钢样品总体表现出更高的Rpk值（0.28–0.55 μm，而马氏体样品为0.26–0.53 μm）、更高的Rvk值（0.15–0.36 μm，而马氏体样品为0.12–0.27 μm）以及更低的Rk值（0.28–0.76 μm，而马氏体基体为0.31–0.80 μm）。这种表面粗糙度差异反映在两类材料的摩擦性能上，使AISI 329样品在测试过程中表现出更不稳定的摩擦因数。
经复合表面处理后的AISI 630基体总体上表现出更高的涂层硬度（30.8–55.3 GPa，而AISI 329样品为29.4–52.1 GPa）、更高或相等的H/E比（0.09–0.13，而AISI 329试样为0.08–0.13）以及更低的磨损体积（3.89–6.40 mm³ × 10^-3，而双相样品为4.36–7.59 mm³ × 10^-3）。