14Cr14Co13Mo4钢是渗碳型高温马氏体不锈钢,是为提高航空发动机轴承性能和使用寿命而研制的新一代轴承钢。14Cr14Co13Mo4钢的设计目标是经过渗碳、淬火和回火,使渗碳层具有高体积分数、均匀弥散分布的碳化物,心部保持良好的韧性。渗碳热处理后的14Cr14Co13Mo4钢具有表面红硬度高、耐磨性好、抗疲劳剥落能力强、表面和心部具有良好的强韧配合等优点,同时具有一定的耐腐蚀性能。但是在实际应用中,出现了渗碳层容易形成严重的网状碳化物组织,过渡区硬度比心部硬度低等现象。为了消除渗碳层中的网状碳化物组织进而提升材料的性能,需要对14Cr14Co13Mo4钢在低压脉冲渗碳过程中碳的扩散和碳化物析出规律,淬火过程碳原子的扩散及碳化物的回溶规律,碳化物对渗碳层硬度、摩擦及腐蚀性能的影响规律等科学问题进行深入研究。低压脉冲渗碳的特点是由一系列的强渗和扩散周期组成。单凭试验的方法难以获得14Cr14Co13Mo4钢在低压脉冲渗碳过程中的碳扩散规律。本论文建立了基于多元复相分散系的14Cr14Co13Mo4钢低压脉冲渗碳模型,设计了四组渗碳工艺,并通过渗碳实验验证了模型计算结果的准确性。微观组织分析结果表明,渗碳层中析出的碳化物类型受碳浓度的影响。在高碳浓度区析出的主要是M₇C₃型碳化物,在低碳浓度区析出的主要是M₂₃C₆型碳化物。14Cr14Co13Mo4钢表面吸收碳能力超强,存在着快速形成致密碳化物层阻碍后续碳扩散的问题。为了避免在钢表面形成致密碳化物层,发明了一种新的Ni缓冲层法调节低压脉冲渗碳,简称缓冲层法低压脉冲渗碳,即在14Cr14Co13Mo4钢表面预镀不同厚度的Ni膜或Fe-Ni膜,在渗碳工艺不变的情况下,实现了对14Cr14Co13Mo4钢的低压脉冲渗碳过程碳扩散行为的调节。研究表明,在14Cr14Co13Mo4钢表面预镀不同厚度的Ni膜或Fe-Ni膜,利用碳在Ni膜或Fe-Ni膜中的低固溶度和碳原子穿过不同厚度的膜需要的时间不同,影响在低压脉冲渗碳强渗阶段进入到钢表面的碳原子通量,降低渗碳层表面的碳浓度,使碳化物的分布比未镀膜试样更加均匀。渗碳后渗层的碳化物含量高、硬度高、韧性差,需要经过高温淬火,使碳化物发生部分回溶,改善碳化物的分布。在高温淬火过程中同时发生碳化物的回溶,心部晶粒的长大和碳原子向心部的宏观扩散,三个过程之间相互联系、相互影响。碳化物的稳定性受碳化物的类型、大小、碳化物的化学成分等因素的共同影响。研究表明,碳浓度在1.8 wt.%至0.14 wt.%范围内,M₂₃C₆、M₆C和M₇C₃的回溶温度分别在1080°C、1100°C和1270°C附近。淬火过程中渗碳层中的碳原子向心部扩散,促进了碳浓度下降区域碳化物的回溶。提高淬火温度,可以促进渗碳层中碳原子向心部扩散及碳化物的回溶,有利于消除网状碳化物组织,但是会导致心部晶粒的长大和过渡区残余奥氏体含量升高。1060°C淬火可以降低过渡区残余奥氏体含量,避免出现过渡区软化现象。淬火马氏体内应力大,容易引起开裂,需要及时进行回火调整组织。回火冷处理过程中,淬火马氏体和残余奥氏体分解,并伴有回火M₂₃C₆碳化物的析出。在510°C回火后的渗碳层中观察到了纳米尺寸的Laves相颗粒。未镀膜试样热处理后渗碳层中的碳化物呈长条形、半连续网状分布。预镀5.2μm Ni膜试样经过A1工艺渗碳、1060°C淬火、530°C回火后,渗碳层中的碳化物呈球形、均匀弥散分布,消除了网状碳化物组织。研究了渗碳层微观组织对14Cr14Co13Mo4钢硬度、摩擦及腐蚀性能的影响。渗碳层中M₇C₃的体积分数与显微硬度之间呈线性关系。M₇C₃的硬度和弹性模量分别为21.2 GPa和369.8 GPa。M₇C₃的体积分数从10.42%增加到16.65%,硬度从713 HV提高到803 HV,在干滑动摩擦条件下,磨损率从5.27×10^-6mm³/N·m下降到1.30×10^-6 mm³/N·m,磨损机制以氧化磨损为主。M₇C₃的体积分数从10.42%增加到16.65%,在3.5 wt.%Na Cl溶液中的腐蚀电位从-0.484 V下降到-0.569 V,腐蚀电流密度从5.98×10^-7 A/cm²增加到2.33×10^-6 A/cm²,极化电阻从2.46×10⁴W/cm²下降到3.61×10³W/cm²。渗碳层在3.5 wt.%Na Cl溶液中的腐蚀机制主要是点腐蚀。渗碳层表面M₇C₃碳化物有效提高了渗层表面的硬度,从而提高了材料的耐磨性能,但是降低了表面的耐腐蚀性能。