專利名稱：一種鋼質(zhì)零件及其復(fù)合表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼質(zhì)零件及其復(fù)合表面處理方法。
背景技術(shù)：
人類對鋼的應(yīng)用和研究歷史相當(dāng)悠久，但是直到19世紀(jì)貝氏煉鋼法發(fā)明之前，鋼的制取都是一項(xiàng)高成本低效率的工作。如今，鋼以其低廉的價(jià)格、可靠的性能成為世界上使用最多的材料之一，是建筑業(yè)、制造業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡某煞?。隨著社會的發(fā)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(fù)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(huán)境下具有更長的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種鋼質(zhì)零件，該鋼質(zhì)零件應(yīng)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(fā)明的另一目的是提供一種鋼質(zhì)零件的復(fù)合表面處理方法，該方法應(yīng)能提高鋼質(zhì)零件的硬度、耐磨性能以及耐腐蝕性能，延長鋼質(zhì)零件的使用壽命；并且處理方法簡單易行，成本不高。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種鋼質(zhì)零件，包括鋼質(zhì)基體，其特征在于該鋼質(zhì)基體的表面制有一層厚度為 30 300um的預(yù)處理層，預(yù)處理層表面由內(nèi)而外依次包覆著厚度為5 IOum的硬質(zhì)耐磨層以及厚度為2. 5 4um的固體潤滑減摩層。所述預(yù)處理層為離子氮化層，或者是化學(xué)鍍層，或者是電鍍層。所述的離子氮化層包括從鋼質(zhì)基體深處至鋼質(zhì)基體表面依次包覆的厚度為25 300um的擴(kuò)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(xué)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(zhì)耐磨層從預(yù)處理層表面垂直方向自內(nèi)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(zhì)耐磨層表面垂直方向自內(nèi)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(zhì)零件的表面復(fù)合處理方法，依次包括以下步驟1)表面清潔
鋼質(zhì)零件表面采用清洗溶劑進(jìn)行超聲波清洗；
2)制作預(yù)處理層
將清洗后的鋼質(zhì)零件置于離子氮化爐中進(jìn)行氮化擴(kuò)散處理，或者進(jìn)行化學(xué)鍍處理，或者進(jìn)行電鍍，使鑄鐵件表面形成一預(yù)處理層；
3)制作硬質(zhì)耐磨層
將制有預(yù)處理層的鋼質(zhì)零件放入非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的真空室中，先在真空狀態(tài)下通入氬氣進(jìn)行清洗，此后開啟Cr靶制作Cr打底層，接著通入氮?dú)庵谱鰿rN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(zhì)耐磨層的鋼質(zhì)零件放入另一非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的真空室中， 在真空狀態(tài)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(shù)不變制備碳基固體潤滑層。
所述氮化處理時(shí)，氮?dú)夂蜌錃獾幕旌媳壤秊镮 : 3 I : 6，腔體氣壓為200 600Pa，氮化的溫度控制在500 520°C，保溫時(shí)間8 10h。
所述步驟3)和步驟4)中，鋼質(zhì)零件放在可轉(zhuǎn)動的試樣架上。
本發(fā)明的有益效果是由于所提供的鋼質(zhì)零件具有較高的表面硬度，較好的耐磨性能以及較強(qiáng)的耐腐蝕性(硬度達(dá)到1800HV 2800HV，結(jié)合力Lc > 80N，摩擦系數(shù)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(zhì)零件的使用壽命，進(jìn)而大幅度擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，降低了制造成本。
本發(fā)明提供的鋼質(zhì)零件表面復(fù)合處理方法，處理后的鋼質(zhì)零件的各項(xiàng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)表面處理的水平。此外，該處理方法簡單，工藝穩(wěn)定且可重復(fù)性高，適合規(guī)?；a(chǎn)。


圖I為本發(fā)明所述鋼質(zhì)零件的表面鍍層結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說明。
如圖所示，該鋼質(zhì)零件中，在鋼質(zhì)基體I表面由內(nèi)而外依次包覆著厚度為30 300um的預(yù)處理層2、厚度為5 IOum的硬質(zhì)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(kuò)散層中，氮含量從鋼質(zhì)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(yù)處理層表面垂直方向自內(nèi)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(zhì)耐磨層表面垂直方向自內(nèi)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(fā)明所述的對鋼質(zhì)零件表面的復(fù)合處理方法，通過非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備 (外購設(shè)備)實(shí)現(xiàn)。
除特別注明之外，本文所述比例均為原子數(shù)量比。實(shí)施例1表面經(jīng)1200#砂紙打磨過的鋼質(zhì)零件(活塞桿)，用清洗溶劑(丙酮)進(jìn)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?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w(氮?dú)夂蜌錃獾幕旌媳壤秊? 3 1 6)，加電壓400 800V， 先進(jìn)行打弧清理；待穩(wěn)定后，逐步提高腔體氣壓，增大電流強(qiáng)度，使工件升溫進(jìn)行氮化擴(kuò)散。 腔體氣壓為200 600Pa，氮化的溫度控制在500 520°C，保溫時(shí)間10h。將氮化好的工件放入鍍層設(shè)備真空室的旋轉(zhuǎn)試樣架上，氬氣流量IOsccm時(shí)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(shí)沉積Cr打底層5min， Cr靶輸入功率2kW ；接著通入氮?dú)獠⒅饾u增加氮?dú)饬髁垮冎艭rN過渡層，時(shí)間60min，其它參數(shù)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(shù)與上一個步驟一樣。 在整個鍍制過程中，脈沖偏壓的參數(shù)為頻率500kHz，脈沖寬度250ns，工件所在的旋轉(zhuǎn)試樣架的轉(zhuǎn)速是5rpm。工件冷卻后取出，直接放入另一真空室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)試樣架上，氬氣流量IOsccm時(shí)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(shí)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(shù)與制備純Cr打底層一樣沉積過渡層；最后保持此參數(shù)沉積6小時(shí)制備碳基固體潤滑層。在整個鍍制過程中，脈沖偏壓的參數(shù)為頻率500kHz，脈沖寬度250ns，工件所在的旋轉(zhuǎn)試樣架的轉(zhuǎn)速是3rpm。加工后的工件根據(jù)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(diǎn)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(shù)用球盤磨損試驗(yàn)機(jī)測量，對磨材料為直徑5mm的WC_6% Co硬質(zhì)合金球，相對滑動速度200m/min，載荷40N，磨損時(shí)間30min。用HT-3001劃痕儀定量測量鍍層的結(jié)合強(qiáng)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(jié)果為擴(kuò)散層厚度為80um，氮化白亮層厚度為5um。硬質(zhì)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(jié)合力Lc > 80N，摩擦系數(shù)為
0.05 0. 07，比磨損率為0. 5X 10_16，開路電位(抗腐蝕指標(biāo))為-0. 20V。實(shí)施例2發(fā)動機(jī)活塞環(huán)經(jīng)化學(xué)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?nèi)芤褐屑尤肓６葹?um的陶瓷粉末(陶瓷粉末占鍍層的重量比例為3%)并充分?jǐn)嚢瑁?其余按常規(guī)電鍍操作進(jìn)行電鍍鉻作業(yè)，溫度58 60°C，時(shí)間15 18min，完成之后取出工件，清洗，烘干后置于真空鍍層設(shè)備內(nèi)的旋轉(zhuǎn)試樣架上，其它所有實(shí)施過程和參數(shù)同實(shí)施例1。檢測結(jié)果是電鍍鉻層厚度為115 μ m ；硬質(zhì)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(jié)合力Lc > 80N,摩擦系數(shù)為0. 05 0. 07，比磨損率為 0. 3X10_16，開路電位為-0. 18V。
實(shí)施例3
對鋼制壓縮機(jī)滑片進(jìn)行表面處理；按照實(shí)施例I步驟制備完成硬質(zhì)耐磨層，之后將工件放進(jìn)真空室內(nèi)，氬氣流量IOsccm時(shí)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(shí)沉積Cr打底層5min，Cr靶輸入功率2kW ;接著通入氮?dú)獠⒅饾u增加氮?dú)饬髁垮冎艭rN過渡層，時(shí)間60min，其它參數(shù)與制備Cr層打底時(shí)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(shù)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(shù)為頻率500kHz，脈沖寬度250ns， 工件所在的旋轉(zhuǎn)試樣架的轉(zhuǎn)速是5rpm。
檢測結(jié)果是擴(kuò)散層厚度為80um,氮化白亮層厚度為5um。硬質(zhì)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(jié)合力Lc = 80N，摩擦系數(shù)為0. 04 0. 06，比磨損率為0. 6X 10_16,開路電位為-0. IOV。
權(quán)利要求
1.一種鋼質(zhì)零件，包括鋼質(zhì)基體(1)，其特征在于該鋼質(zhì)基體的表面制有一層厚度為 30 300um的預(yù)處理層( ，預(yù)處理層表面由內(nèi)而外依次包覆著厚度為5 IOum的硬質(zhì)耐磨層(3)以及厚度為2. 5 4um的固體潤滑減摩層⑷；所述預(yù)處理層為離子氮化層，或者是化學(xué)鍍層，或者是電鍍層；所述的硬質(zhì)耐磨層從預(yù)處理層表面垂直方向自內(nèi)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(zhì)耐磨層表面垂直方向自內(nèi)向外依次包括純Cr打底層、 過渡層、碳基固體潤滑層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼質(zhì)零件，其特征在于所述的離子氮化層包括從鋼質(zhì)基體深處至鋼質(zhì)基體表面依次包覆的厚度為25 300um的擴(kuò)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(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋼質(zhì)零件，其特征在于所述化學(xué)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(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種鋼質(zhì)零件，其特征在于所述的硬質(zhì)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(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋼質(zhì)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(zhì)零件的表面復(fù)合處理方法，依次包括以下步驟1)表面清潔鋼質(zhì)零件表面采用清洗溶劑進(jìn)行超聲波清洗；2)制作預(yù)處理層將清洗后的鋼質(zhì)零件置于離子氮化爐中進(jìn)行氮化擴(kuò)散處理，或者進(jìn)行化學(xué)鍍處理，或者進(jìn)行電鍍，使鑄鐵件表面形成一預(yù)處理層；3)制作硬質(zhì)耐磨層將制有預(yù)處理層的鋼質(zhì)零件放入非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的真空室中，先在真空狀態(tài)下通入氬氣進(jìn)行清洗，此后開啟Cr靶制作打底層，接著通入氮?dú)庵谱鰿rN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(zhì)耐磨層的鋼質(zhì)零件放入另一非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的真空室中，在真空狀態(tài)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(shù)不變制備碳基固體潤滑層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鋼質(zhì)零件的表面復(fù)合處理方法，其特征在于所述氮化處理時(shí)，氮?dú)夂蜌錃獾幕旌媳壤秊? 3 1 6，腔體氣壓為200 600Pa，氮化的溫度控制在500 520°C，保溫時(shí)間8 IOh。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鋼質(zhì)零件的表面復(fù)合處理方法，其特征在于所述步驟3) 和步驟4)中，鋼質(zhì)零件放在可轉(zhuǎn)動的試樣架上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼質(zhì)零件及其復(fù)合表面處理方法。目的是提供的鋼質(zhì)零件應(yīng)具有較高的硬度的特點(diǎn)；提供的方法應(yīng)能提高鋼質(zhì)零件的硬度的特點(diǎn)。技術(shù)方案是一種鋼質(zhì)零件，包括鋼質(zhì)基體，其特征在于該鋼質(zhì)基體的表面制有一層厚度為30~300μm的預(yù)處理層，預(yù)處理層表面由內(nèi)而外依次包覆著厚度為5~10μm的硬質(zhì)耐磨層以及厚度為2.5~4μm的固體潤滑減摩層。一種鋼質(zhì)零件的表面復(fù)合處理方法，依次包括以下步驟1)表面清潔；2)制作預(yù)處理層；3)制作硬質(zhì)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(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)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