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4Cr13马氏体不锈钢因其具有一定的硬度、耐腐蚀性及抗高温氧化性能,通常应用于油泵、阀门轴承、医疗器械、弹簧等零件。但这类钢的耐磨性与一般高强度合金钢相比仍然存在较大的差距,并且当环境温度超过900℃以上时氧化较为严重,从而大大限制了这类钢在摩擦磨损及高温环境中的使用和发展。本课题采用双辉等离子表面冶金技术对4Cr13马氏体不锈钢表面进行等离子渗Nb处理,通过研究等离子合金化温度对Nb合金层表面形貌、成分、相组成及硬度的影响,对合金层形成机制进行了研究,同时分析了不锈钢渗Nb前后的摩擦磨损性能和抗高温氧化性能,并对其摩擦磨损和高温氧化机理进行了探讨。研究结果表明：(1)采用双辉等离子表面冶金技术可在4Cr13不锈钢表面制备组织均匀致密并与基体冶金结合的Nb合金层,合金层主要由Nb2C、NbC、Fe2Nb、 Cr2Nb及Nb组成。不锈钢经900℃、950℃和1000℃渗Nb后形成的表面合金层厚度分别为7μm、13μm和7μm,并且表面粗糙度随着渗Nb温度增加而增加。渗Nb温度的升高对应Nb靶和试样电压的增加,即在增加合金化元素Nb的溅射量及扩散速度的同时,试样表面反溅射作用也随之增强,Nb元素在试样表面的吸附量与反溅射之间相互作用导致在不同温度形成的合金层组织有所不同。(2)4Crl3不锈钢渗Nb后表面硬度较基材有明显提高。1000℃渗Nb后表面硬度高达约985HV0.025,900℃和950℃渗Nb后试样表面硬度约758HV0.025和698HV0.025,比基体硬度增加了390HV0.025以上。Nb碳化物的形成是表面硬度提高的主要因素。(3)4Cr13不锈钢经不同温度渗Nb后的摩擦系数均在0.35-0.6之间,而基体的摩擦系数为0.8左右；900℃、950℃和1000℃渗Nb试样的比磨损率分别为基材的1/14、1/2和1/60,表现出良好的耐磨和减摩性能。合金层中硬质碳化物的析出以及摩擦过程中产生的氧化物所起的固体润滑作用是渗Nb合金层减摩的主要原因,而合金层中碳化物的弥散强化和第二相强化使其耐磨性显著提高。(4)4Cr13不锈钢渗Nb后在900℃空气中的抗高温氧化性能较未处理基材有所提高。900℃、950℃和1000℃渗Nb试样氧化100h后的增重分别是15.32mg·cm-2、16.32mg·cm-2和7.53mg·cm-2,较基材增重(19.60mg·cm-2)均有所减少。渗Nb不锈钢形成的氧化膜表面平整,组织均匀。900℃和950℃渗Nb试样表面氧化膜由Fe2O3表层/Fe-Nb混合氧化物/FeO·Cr2O3/Cr氧化物组成。1000℃渗Nb试样表面氧化膜为Fe2O3+FeNbO4+(Fe0.6Cr0.4)2O3+Cr混合氧化物。Nb-Fe二元氧化物和氧化膜与基体交界处形成稳定的富Cr氧化物层阻止Fe离子向外层的扩散以及O离子向基体的迁移,提高了渗Nb不锈钢的抗高温氧化能力。