金属材料以其优异的铸造性、压力加工性、热处理性、焊接性和切削性,成为社会中被广泛使用的工程材料;并且地球上储存的金属元素极为丰富,价格低廉,已经广泛使用在国民经济各部门中。由于现代工业的进步,人们对于金属材料的使用环境和使用条件越来越苛刻,金属材料在使用过程中表面会发生摩擦损伤,造成的间接损害远高出了材料自身的价值,人们对金属材料的要求,尤其是对其表面性能的需求提出了更高的标准。因此,本文在Q235低碳钢表面制备了硼碳复合渗层并展开了一系列研究工作,着重对其滑动摩擦磨损性能进行研究,以提高和改善材料表面性能,尤其是耐磨性能。双层辉光等离子渗金属技术是一种新兴的表面改性手段,具有一些独特的优点。本论文采用双辉技术,在Q235低碳钢表面设计和制备了一种具有梯度结构的硼碳复合渗层,并且深入研究了复合渗层组织、成分和物相结构等特征,对其硬度、纳米压入、电化学腐蚀等相关性能进行研究,重点对复合渗层的滑动摩擦磨损性能进行研究,并采用Ansys Workbench三维有限元模拟了渗层滑动摩擦磨损过程,分析了渗层内部应力分布情况。在系统地分析双辉等离子渗金属技术的各个工艺参数对渗层影响的前提下,采用正交实验,确定了制备复合渗层的最佳制备工艺。渗碳:两极间距15 mm,工作气压35 Pa,阴极电压450V,源极电压950 V。渗硼:温度1150-1300℃,两极间距12 mm,工作气压38 Pa,阴极电压550 V,源极电压950 V。研究结果表明:双辉渗碳处理后,表面为短棒状的铁碳化物密集交错的堆叠而成;再经双辉渗硼处理后,渗层由大量尺寸在3～5μm左右的亚微米级颗粒密集堆叠而成的结构,渗层致密均匀,无明显的孔洞、裂纹等缺陷,各元素由表面向内部呈显出梯度分布,表明渗层与基体之间为冶金扩散结合。复合渗层中的最外渗硼层并未出现传统渗硼层锯齿状形貌特征,这是因为经双辉技术制备的渗硼层为单相Fe2B结构,并且由于碳原子对硼原子的内扩散有一定的抑制作用,故而渗硼层与渗碳层之间的界面较为明显。复合渗层厚度为113μm,其中渗硼层厚度为38μm。基体表面维氏硬度为206.6 HV0.1,经双辉等离子渗碳和渗硼处理后,表面硬度达到1703.6HV0.1,中间渗碳过渡层的硬度范围在724.8-453.6 HV0.1之间,硬度值随深度的延长而逐渐降低,有利于减缓渗硼层与基体之间的硬度梯度,防止最外渗硼层的剥落。纳米压入实验表明:渗层hf/hm小于0.7,以压入变形为主,具有较高的抗裂纹扩展能力和塑性变形能力。划痕实验表明:临界载荷为71.2 N,随着载荷继续增大,声波信号峰值越来越密集,但是并未出现毁灭性剥离或贯穿性裂纹,表明复合渗层良好的韧性。粗糙度测试结果显示复合渗层的粗糙度明显高于基体,这是因为双辉处理过程中,试样表面经受高强度的离子轰击所导致。电化学腐蚀实验表明:不论是渗层还是基体,其腐蚀失效主要是因为材料表面能较高,Cl离子容易在材料表面吸附,从而导致金属由表及里的结构组织被腐蚀破坏,整个腐蚀反应主要受阳极反应控制。利用Materials Studio软件计算了渗硼层中,Fe B相和Fe2B相的形成能,结果表明在渗硼过程中Fe2B相优先于Fe B相在渗硼层中形核长大。双辉渗硼过程中,由于氩离子的不断轰击,在基体表面形成了大量的空位和缺陷,基体表面活化能得到了极大的提升,硼原子很容易吸附在基体表面,并且硼原子被撞击溅射出来,具有很高的动能,缩短了金属硼化物形核长大的过程。根据渗硼层强化机制研究表明,Fe2B晶体结构中共有十一个不可忽略的共价键,Fe2B相由Fe-Fe原子构成“弹簧状”的主键网络,Fe-B原子形成“收缩弹簧”状的支键网络,晶体结构稳定性大幅提高;Fe2B相的晶体结构中最强共价键的9)102)值为0.43439,高于基体-Fe的9)1-Fe值0.38354。球盘摩擦磨损实验表明,在不同载荷、转速、温度和摩擦副条件下,基体的摩擦系数和磨损量明显高于渗层。基体在低载荷条件下的磨损机制以疲劳磨损为主,随着载荷的增大,转变为粘着磨损磨损为主,磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损为辅。渗层磨损机制为疲劳磨损,粘着磨损、氧化磨损为辅;基体磨损机制随着转速提高由磨粒磨损和疲劳磨损转变为粘着磨损和氧化磨损,渗层磨损机制均以疲劳磨损为主;随着温度升高,基体由粘着磨损和疲劳磨损为主,转变为氧化磨损、粘着磨损和磨粒磨损并存,渗层由疲劳磨损为主,转变为氧化磨损、磨粒磨损为主,粘着磨损为辅;三种摩擦副材料性质均不相同,其中Si3N4硬度最高,但其本身具有自润滑作用,可以减轻摩擦损伤,GCr15硬度最低,但基体和摩擦副性质较为接近,产生较大摩擦力,磨损较为严重。根据硼碳复合渗层滑动摩擦磨损过程三维有限元分析结果可知,滑动摩擦磨损过程中,对磨球与试样表面接触区域正下方产生最大压应力,对磨球滑动过程中由于对试样表面材料的拖动和挤压,在对磨球后端产生一个拉应力区,前方产生一个压应力区域。主要压应力集中在最外渗硼层与对磨球接触区域的渗硼层中,主要拉应力则是集中在最外渗硼层与渗碳过渡层界面处。