奥氏体不锈钢具有优异的耐蚀性能和成形性能,在工业领域得到了广泛应用。但传统粗晶奥氏体不锈钢的硬度、强度偏低,耐磨性差,这严重影响了奥氏体不锈钢的实际应用。尤其是在腐蚀环境下,其耐磨性更差。因此,本文将就如何提高奥氏体不锈钢的耐摩擦腐蚀性能进行研究。首先采用表面喷丸纳米化工艺在不锈钢表面获得一层纳米晶细化层,然后对表面纳米化不锈钢进行适当温度和时间的退火处理,将喷丸获得的单一纳米晶结构转变为由纳米晶和超细晶/微米晶组成的双尺度结构。利用金相和扫描电镜(SEM)分析了表面细化层结构,利用X射线衍射(XRD)分析了细化层的物相组成,并计算晶粒尺寸,用电子背散射衍射(EBSD)方法表征了退火后单一纳米晶结构向双尺度结构的转变情况,然后利用硬度实验、摩擦磨损实验和电化学实验来分别检测不同状态不锈钢的耐磨性能和耐蚀性能,最后利用摩擦腐蚀实验对比研究了不同状态试样的耐摩擦腐蚀性能。(1)金相观察表明,原始粗晶304奥氏体不锈钢经1150℃-30 min固溶处理后,获得组织均匀的奥氏体相,晶粒尺寸约为40μm;经不同喷丸压力(0.4~0.6 MPa)和不同喷丸时间(4~10 min)的喷丸处理后,获得一系列具有一定厚度的表面单一纳米晶细化层的不锈钢板。从中选取一种喷丸时间较少,而又能满足细化层厚度至少为70μm的喷丸工艺(0.5 MPa-6 min)做为本文研究对象;XRD分析表明,此试样表面细化层的平均晶粒尺寸约为18 nm,形变马氏体含量为59.1%,厚度约83μm。(2)将0.5 MPa-6 min喷丸工艺获得的表面单一纳米晶结构试样分别进行650℃、700℃、750℃,保温时间均为30 min的退火处理,得到三种不同晶粒尺寸分布和含量的不锈钢。EBSD实验结果表明,随退火温度的提高,双尺度结构中的微米晶/超细晶部分平均晶粒尺寸增大,体积比随之升高。其中经650℃退火后,纳米晶不锈钢晶粒尺寸均低于1μm,此时没有异常长大,双尺度结构特征不明显;700℃退火后,不锈钢平均晶粒尺寸仍然低于1μm,但有部分晶粒的尺寸已大于1μm,此时双尺度结构特征变得相对明显;当退火温度升高为750℃时,晶粒已明显长大。(3)硬度测试结果表明,固溶态304不锈钢的表面显微硬度约为183 HV,经过0.5MPa-6 min的喷丸处理后,表面硬度提高了1.57倍,达到了471 HV。随着从试样最外层表面到基体的距离增加,显微硬度呈阶梯性急剧下降。喷丸后的试样经650℃、700℃、750℃不同温度退火,与原始喷丸试样相比,表面细化层的平均硬度均有不同程度的下降,但均高于原始粗晶试样,且随温度提高,硬度下降越明显。摩擦磨损实验结果表明,在相同的条件下,不同试样的磨痕宽度、摩擦系数、磨损量体现出不同的特征。总体来看,原始喷丸纳米晶试样的耐磨性能最优,原始固溶态试样的耐磨性较差,而三个喷丸后退火试样的耐磨性介于两者之间,且随温度升高,耐磨性逐渐降低,但均高于原始态。其中650℃-30 min和700℃-30 min退火处理的试样表现出居中的耐磨性。(4)通过测试不同状态下不锈钢(固溶态、原始喷丸态、三种退火试样)的开路电位、动电位极化曲线、电化学阻抗谱来表征不锈钢的耐腐蚀性能。结果表明:喷丸纳米化试样的耐蚀性不如原始粗晶试样,原因是前者具有高含量的形变诱发马氏体;退火处理后喷丸试样的耐蚀性得到不同程度的改善,且随着退火温度的升高,改善的幅度逐渐减小,但喷丸+退火处理试样的耐蚀性均优于原始粗晶试样。其中双尺度结构试样(喷丸+650℃、700℃退火)的耐蚀性明显优于原始粗晶试样。(5)摩擦腐蚀实验结果表明:在10 N载荷作用下,原始粗晶试样的耐摩擦腐蚀性能最差,三个退火试样的耐摩擦腐蚀性能随着退火温度的升高而降低,硬度最高的喷丸试样耐摩擦腐蚀性能不如喷丸+650℃退火试样,但优于喷丸+700℃、喷丸+750℃退火试样,说明在低载荷作用下硬度影响耐摩擦腐蚀性能的作用降低,而腐蚀性能的影响作用更加明显;20 N载荷作用下,耐摩擦腐蚀性能的规律发生了变化,原始粗晶试样的性能仍然最差,三个退火试样的性能仍然是随着退火温度的升高,耐摩擦腐蚀性能变差,但硬度最高的喷丸试样耐摩擦腐蚀性能最优,说明在高载荷作用下硬度又成为影响耐摩擦腐蚀性能的主要因素。且此耐磨性规律与第四章的耐磨性规律一致。其中双尺度结构试样(喷丸+650℃、700℃退火30 min)无论加载载荷和表面状态如何,它们的耐摩擦腐蚀性能均明显优于原始粗晶试样。综合以上实验结果可得:304奥氏体不锈钢经0.5 MPa-6 min喷丸后,再经650℃、700℃退火30 min处理,可获得一种综合性能优异的表面双尺度结构不锈钢,这种不锈钢表现出优异的耐蚀性能、耐磨损性能和良好的耐摩擦腐蚀性性能。