[发明专利]一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种材料表面处理方法，特别是一种钢材表面纳米化方法，即直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法。

背景技术：

由于大部分失效(例如，疲劳，腐蚀，磨损等)均发生在材料的表面，所以材料表面改性一直受到研究者们的广泛重视。纳米结构表面由于具有很好的拉伸，抗疲劳，抗磨损及腐蚀的性能更是研究的热点。根据纳米材料合成机制的不同，可以将现有材料表面纳米化方法分为三大类：第一类是基于各种表面涂层或沉积技术实现的纳米化，例如物理/化学汽相沉积(PVD/CVD)，以及电镀等，这类方法的关键是，确保纳米化层与基体之间，以及纳米化层内纳米颗粒之间的牢固结合；第二类方法是在保持材料表面化学成分不变的情况下实现的表面自身纳米化，这类方法包括钢刷技术喷砂技术，表面纳米化强化工艺(SNH)，冲击技术，喷丸技术，以及表面机械研磨技术；第三类是混合方式将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时、或形成后，对材料进行化学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物，由于表面纳米化过程中产生了大量晶界，这就为原子扩散提供了理想的通道，从而促进化学处理进行。

另一方面，氮化铬(CrN)由于其优异的物理及力学性能近年来也受到广泛关注。现如今比较通用的能够用于制备氮化铬薄膜的方法，主要是物理/化学汽相沉积(PVD/CVD)，化学汽相沉积往往需要较高的处理温度(700～1200℃)，在这样高的处理温度下，被处理工件的基体组织粗大，变形严重，物理汽相沉积方法虽然能在200～500℃下进行，但是这种方法获得的薄膜与基体间元素扩散少，因而结合力不佳。近年来，一种复合热反应沉积/扩散(TRD)技术受到了一些研究者的关注，这种工艺初步显示出降低处理温度，减少工件变形的优势。但是文献报道的TRD技术共同的特点就是反应速度不够快，要获得有价值的氮化铬层，往往需要较长(几十个小时)的处理时间。有文献报道，在流化床中570℃下需进行TRD处理50小时后才获得8μm的氮化铬。其次，现TRD技术处理温度较高，文献可见最低温度报道为570℃。在这样的处理温度下，如果薄膜生长速度不够快，被处理工件仍然有变形的危险，因而适用钢种较少；针对TRD技术的现状，作者建立并发展了一种新的TRD处理技术，这种技术大大提高了TRD的反应速度，缩短了处理时间，降低了处理温度，并且能在钢材上直接生长纳米氮化铬薄膜，因而具有工业应用前景。另外，虽然现有制备纳米材料的方法很多，但是大部分方法技术复杂，只停留在实验室研究阶段，工业化批量生产存在一定困难。所以人们开始研究材料表面纳米化方法，但是目前为止，直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的钢材表面纳米化方法尚未见报道。这种表面纳米化方法的提出，丰富了材料表面纳米化研究思路。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种适用钢种的范围大，控制条件相对简单，在大温度范围内可直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法包括如下步骤：

(1)渗氮处理，对钢材经初处理后进行渗氮处理；

(2)盐浴渗铬处理，经步骤(1)处理后的钢材冷至室温并作表面清洗后，再进行500℃～650℃下盐浴渗铬处理；盐浴由基盐和有效成分组成；以质量百分比计，其中基盐由NaCl20～25％、BaCl₂ 30～35％和CaCl₂ 40～50％组成；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl₃·6H₂O25～50％和Si粉5～10％；

或者是盐浴渗铬处理为经步骤(1)处理后的钢材冷至室温并作表面清洗后，再在580～650℃处理温度下进行渗铬处理，盐浴由基盐和有效成分组成；以质量百分比计，其中所述基盐由CaCl₂46～50％，NaCl46～50％，KCl0～8％组成；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl₃·6H₂O25～50％和Si粉5～10％。

为进一步实现本发明目的，所述的渗氮处理为离子渗氮或者气体渗氮。

所述的渗氮处理是在540～650℃处理温度下进行渗氮处理。