專利名稱：一種鋼質零件及其復合表面處理方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼質零件及其復合表面處理方法。
背景技術：
人類對鋼的應用和研究歷史相當悠久，但是直到19世紀貝氏煉鋼法發明之前，鋼的制取都是一項高成本低效率的工作。如今，鋼以其低廉的價格、可靠的性能成為世界上使用最多的材料之一，是建筑業、制造業和人們日常生活中不可或缺的成分。隨著社會的發展，人們對材料的要求也越來越高，單一的表面處理已不能保證鋼的綜合性能要求；因此， 迫切需要一種復合處理方法，以提高鋼的硬度、耐磨性能以及耐腐蝕性能，使鋼材料可以在惡劣環境下具有更長的壽命。
發明內容
本發明的目的是克服上述背景技術的不足，提供一種鋼質零件，該鋼質零件應具有較高的硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能，更長的使用壽命。本發明的另一目的是提供一種鋼質零件的復合表面處理方法，該方法應能提高鋼質零件的硬度、耐磨性能以及耐腐蝕性能，延長鋼質零件的使用壽命；并且處理方法簡單易行，成本不高。本發明提供的技術方案是一種鋼質零件，包括鋼質基體，其特征在于該鋼質基體的表面制有一層厚度為 30 300um的預處理層，預處理層表面由內而外依次包覆著厚度為5 IOum的硬質耐磨層以及厚度為2. 5 4um的固體潤滑減摩層。所述預處理層為離子氮化層，或者是化學鍍層，或者是電鍍層。所述的離子氮化層包括從鋼質基體深處至鋼質基體表面依次包覆的厚度為25 300um的擴散層和厚度為0 IOum的氮化白亮層；其中氮原子的含量為5 30%。所述化學鍍層以及電鍍層均為鎳原子鍍層或鉻原子鍍層；鎳原子鍍層或鉻原子鍍層中摻有粒度為0. 5 IOum的金剛石粉或改性陶瓷粉，摻入的重量比例為0 15%。所述的硬質耐磨層從預處理層表面垂直方向自內向外依次包括Cr打底層、CrN過渡層、CrMoN合金鍍層；其中，Cr打底層厚度為0. 2 2um，成分為鉻原子；CrN過渡層厚度為0. 3 2um，氮原子與鉻原子的比例為0 3 1 ；CrMoN合金鍍層厚度為3 10um，其中 Cr原子的比例為20 30%，Mo原子的比例為20 30%，氮原子的比例為40 60%。所述的固體潤滑減摩層從硬質耐磨層表面垂直方向自內向外依次包括純Cr打底層、過渡層、碳基固體潤滑層；其中，純Cr打底層厚度為0. 2 2um，成分為Cr ；過渡層厚度為0.5 1.5um，碳原子與Cr原子的原子比為O 80 1 ；碳基固體潤滑層厚度為0. 8 5um，Cr原子與碳原子的原子比為1 82 85。一種鋼質零件的表面復合處理方法，依次包括以下步驟1)表面清潔
鋼質零件表面采用清洗溶劑進行超聲波清洗；
2)制作預處理層
將清洗后的鋼質零件置于離子氮化爐中進行氮化擴散處理，或者進行化學鍍處理，或者進行電鍍，使鑄鐵件表面形成一預處理層；
3)制作硬質耐磨層
將制有預處理層的鋼質零件放入非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空室中，先在真空狀態下通入氬氣進行清洗，此后開啟Cr靶制作Cr打底層，接著通入氮氣制作CrN過渡層，最后開啟Mo祀制作CrMoN合金鍍層；
4)制作固體潤滑減摩層
將制有硬質耐磨層的鋼質零件放入另一非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空室中， 在真空狀態下通入氬氣，用等離子體轟擊清洗基體表面20分鐘；然后開啟Cr靶30分鐘制作純Cr打底層；Cr靶功率減小，石墨靶的功率逐漸升高沉積過渡層，然后保持參數不變制備碳基固體潤滑層。
所述氮化處理時，氮氣和氫氣的混合比例為I : 3 I : 6，腔體氣壓為200 600Pa，氮化的溫度控制在500 520°C，保溫時間8 10h。
所述步驟3)和步驟4)中，鋼質零件放在可轉動的試樣架上。
本發明的有益效果是由于所提供的鋼質零件具有較高的表面硬度，較好的耐磨性能以及較強的耐腐蝕性(硬度達到1800HV 2800HV，結合力Lc > 80N，摩擦系數為0.04 0. 07，比磨損率為0. 3 X Kr16 0. 6X 10_16,開路電位為-0. 25V -0. 07V)，還提高了鋼質零件的使用壽命，進而大幅度擴展了應用范圍，降低了制造成本。
本發明提供的鋼質零件表面復合處理方法，處理后的鋼質零件的各項性能遠遠超過常規表面處理的水平。此外，該處理方法簡單，工藝穩定且可重復性高，適合規模化生產。
圖I為本發明所述鋼質零件的表面鍍層結構的剖面示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖所示實施例進一步說明。
如圖所示，該鋼質零件中，在鋼質基體I表面由內而外依次包覆著厚度為30 300um的預處理層2、厚度為5 IOum的硬質耐磨層3以及厚度為2. 5 4um的固體潤滑減摩層4。
所述離子氮化層的擴散層中，氮含量從鋼質基體深處至基體表面越來越高。
所述CrN過渡層中，氮原子與鉻原子的比例為0 3 1，從預處理層表面垂直方向自內向外，是一個氮原子含量逐漸增多的漸變過程。
所述的固體潤滑減摩層的過渡層中，從硬質耐磨層表面垂直方向自內向外Cr原子逐漸減少，碳原子逐漸增多。
上述改性陶瓷粉及其它所有原材料均外購獲得。
本發明所述的對鋼質零件表面的復合處理方法，通過非平衡磁控濺射離子鍍設備 (外購設備)實現。
除特別注明之外，本文所述比例均為原子數量比。實施例1表面經1200#砂紙打磨過的鋼質零件(活塞桿)，用清洗溶劑(丙酮)進行超聲波清洗20分鐘，裝于離子氮化爐工件夾具上；腔體抽真空至40 以下，通入純度彡99. 9%的氮氣和氫氣的混合氣體(氮氣和氫氣的混合比例為1 3 1 6)，加電壓400 800V， 先進行打弧清理；待穩定后，逐步提高腔體氣壓，增大電流強度，使工件升溫進行氮化擴散。 腔體氣壓為200 600Pa，氮化的溫度控制在500 520°C，保溫時間10h。將氮化好的工件放入鍍層設備真空室的旋轉試樣架上，氬氣流量IOsccm時真空度2Pa，用500V偏壓等離子體轟擊清洗工件表面20分鐘。偏壓-65V時沉積Cr打底層5min， Cr靶輸入功率2kW ；接著通入氮氣并逐漸增加氮氣流量鍍制CrN過渡層，時間60min，其它參數與制備Cr打底層一樣；最后打開Mo靶，靶輸入功率2kW，其它參數與上一個步驟一樣。 在整個鍍制過程中，脈沖偏壓的參數為頻率500kHz，脈沖寬度250ns，工件所在的旋轉試樣架的轉速是5rpm。工件冷卻后取出，直接放入另一真空室內的旋轉試樣架上，氬氣流量IOsccm時真空度2Pa，用500V偏壓等離子體轟擊清洗工件表面20分鐘；偏壓-60V時沉積純Cr打底層 5min, Cr靶輸入功率2kW ；接著Cr靶的功率逐漸降低為0. 5kw,石墨靶的功率逐漸升高至 2kw，其它參數與制備純Cr打底層一樣沉積過渡層；最后保持此參數沉積6小時制備碳基固體潤滑層。在整個鍍制過程中，脈沖偏壓的參數為頻率500kHz，脈沖寬度250ns，工件所在的旋轉試樣架的轉速是3rpm。加工后的工件根據以下方式檢測處理層的硬度用納米壓入儀測量，每一試樣在不同位置測量6點取平均值。處理層厚度分別用球坑儀和斷面掃描電鏡測定。 處理層耐磨性和摩擦系數用球盤磨損試驗機測量，對磨材料為直徑5mm的WC_6% Co硬質合金球，相對滑動速度200m/min，載荷40N，磨損時間30min。用HT-3001劃痕儀定量測量鍍層的結合強度，測試其膜基破壞臨界載荷Lc，載荷從ION加到100N，滑動速度10mm/min。檢測結果為擴散層厚度為80um，氮化白亮層厚度為5um。硬質耐磨層厚度為 7um;其中，Cr打底層厚度為0. 3 μ m，CrN過渡層厚度為Ι.Ομπι，CrMoN合金鍍層的總厚度為5. 7 μ m。固體潤滑減摩層的厚度是3. 2um，硬度是1800HV，結合力Lc > 80N，摩擦系數為
0.05 0. 07，比磨損率為0. 5X 10_16，開路電位(抗腐蝕指標)為-0. 20V。實施例2發動機活塞環經化學除油一清洗一浸酸活化一冷水清洗一去離子水洗等之后，在電鍍溶液中加入粒度為5um的陶瓷粉末(陶瓷粉末占鍍層的重量比例為3%)并充分攪拌， 其余按常規電鍍操作進行電鍍鉻作業，溫度58 60°C，時間15 18min，完成之后取出工件，清洗，烘干后置于真空鍍層設備內的旋轉試樣架上，其它所有實施過程和參數同實施例1。檢測結果是電鍍鉻層厚度為115 μ m ；硬質耐磨層厚度為7um，固體潤滑減摩層的厚度是3. Oum。硬度是1800HV，結合力Lc > 80N,摩擦系數為0. 05 0. 07，比磨損率為 0. 3X10_16，開路電位為-0. 18V。
實施例3
對鋼制壓縮機滑片進行表面處理；按照實施例I步驟制備完成硬質耐磨層，之后將工件放進真空室內，氬氣流量IOsccm時真空度2Pa，用500V偏壓等離子體轟擊清洗工件表面20分鐘；偏壓-65V時沉積Cr打底層5min，Cr靶輸入功率2kW ;接著通入氮氣并逐漸增加氮氣流量鍍制CrN過渡層，時間60min，其它參數與制備Cr層打底時一樣；然后開啟射頻電源，電源為800V，并慢慢通入純度為99. 9%的乙炔氣體，其它參數與上一步驟相同制備碳基固體潤滑層。在整個鍍制過程中，脈沖偏壓的參數為頻率500kHz，脈沖寬度250ns， 工件所在的旋轉試樣架的轉速是5rpm。
檢測結果是擴散層厚度為80um,氮化白亮層厚度為5um。硬質耐磨層厚度為7um, 固體潤滑減摩層的厚度是3. 5um。硬度是2850HV，結合力Lc = 80N，摩擦系數為0. 04 0. 06，比磨損率為0. 6X 10_16,開路電位為-0. IOV。
權利要求
1.一種鋼質零件，包括鋼質基體(1)，其特征在于該鋼質基體的表面制有一層厚度為 30 300um的預處理層( ，預處理層表面由內而外依次包覆著厚度為5 IOum的硬質耐磨層(3)以及厚度為2. 5 4um的固體潤滑減摩層⑷；所述預處理層為離子氮化層，或者是化學鍍層，或者是電鍍層；所述的硬質耐磨層從預處理層表面垂直方向自內向外依次包括Cr打底層、CrN過渡層、CrMoN合金鍍層；所述的固體潤滑減摩層從硬質耐磨層表面垂直方向自內向外依次包括純Cr打底層、 過渡層、碳基固體潤滑層。
2.根據權利要求1所述的一種鋼質零件，其特征在于所述的離子氮化層包括從鋼質基體深處至鋼質基體表面依次包覆的厚度為25 300um的擴散層和厚度為O IOum的氮化白亮層；其中氮原子的含量為5 30%。
3.根據權利要求2所述的一種鋼質零件，其特征在于所述化學鍍層以及電鍍層均為鎳原子鍍層或鉻原子鍍層；鎳原子鍍層或鉻原子鍍層中摻有粒度為0. 5 IOum的金剛石粉或改性陶瓷粉，摻入的重量比例為0 15%。
4.根據權利要求2或3所述的一種鋼質零件，其特征在于所述的硬質耐磨層中，Cr打底層厚度為0. 2 2um，成分為鉻原子；CrN過渡層厚度為0. 3 2um，氮原子與鉻原子的比例為0 3 1;(州(^合金鍍層厚度為3 1011111，其中(>原子的比例為20 30%^0原子的比例為20 30%，氮原子的比例為40 60%。
5.根據權利要求4所述的一種鋼質零件，其特征在于所述的固體潤滑減摩層中，純Cr 打底層厚度為0. 2 2um，成分為Cr ；過渡層厚度為0. 5 1. 5um，碳原子與Cr原子的原子比為0 80 1 ；碳基固體潤滑層厚度為0.8 5um，Cr原子與碳原子的原子比為1 82 85。
6.一種鋼質零件的表面復合處理方法，依次包括以下步驟1)表面清潔鋼質零件表面采用清洗溶劑進行超聲波清洗；2)制作預處理層將清洗后的鋼質零件置于離子氮化爐中進行氮化擴散處理，或者進行化學鍍處理，或者進行電鍍，使鑄鐵件表面形成一預處理層；3)制作硬質耐磨層將制有預處理層的鋼質零件放入非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空室中，先在真空狀態下通入氬氣進行清洗，此后開啟Cr靶制作打底層，接著通入氮氣制作CrN過渡層，最后開啟Mo靶制作CrMoN合金鍍層；4)制作固體潤滑減摩層將制有硬質耐磨層的鋼質零件放入另一非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空室中，在真空狀態下通入氬氣，用等離子體轟擊清洗基體表面；然后開啟Cr靶制作純Cr打底層；Cr靶功率減小，石墨靶的功率逐漸升高沉積過渡層，然后保持參數不變制備碳基固體潤滑層。
7.根據權利要求5所述的一種鋼質零件的表面復合處理方法，其特征在于所述氮化處理時，氮氣和氫氣的混合比例為1 3 1 6，腔體氣壓為200 600Pa，氮化的溫度控制在500 520°C，保溫時間8 IOh。
8.根據權利要求6所述的一種鋼質零件的表面復合處理方法，其特征在于所述步驟3) 和步驟4)中，鋼質零件放在可轉動的試樣架上。
全文摘要
本發明涉及一種鋼質零件及其復合表面處理方法。目的是提供的鋼質零件應具有較高的硬度的特點；提供的方法應能提高鋼質零件的硬度的特點。技術方案是一種鋼質零件，包括鋼質基體，其特征在于該鋼質基體的表面制有一層厚度為30~300μm的預處理層，預處理層表面由內而外依次包覆著厚度為5~10μm的硬質耐磨層以及厚度為2.5~4μm的固體潤滑減摩層。一種鋼質零件的表面復合處理方法，依次包括以下步驟1)表面清潔；2)制作預處理層；3)制作硬質耐磨層；4)制作固體潤滑減摩層。
文檔編號C23C14/35GK102534532SQ201210016199
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者于磊, 周丹華, 張碧云, 李凡巧 申請人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司