[发明专利]一种铁基合金表面强耐蚀性高铬复合渗氮层的制备方法

说明书

本发明提供一种铁基合金表面强耐蚀性高铬复合渗氮层的制备方法，该方法首先采用磁控溅射方法，在铁基合金表面沉积厚度约1μm的纯铬层；再通过激光助渗的方式使铬原子通过二者交互界面渗入铁基合金基体，渗入厚度在5μm以上；最后进行渗氮处理，在铁基合金表面形成厚度1～5μm的高铬复合渗氮层，铬的原子百分比高达20～40％，氮含量由表及里呈梯度分布，氮的原子百分比由20％以上逐渐降低至1.7％左右。制备的高铬复合渗氮层的表面硬度可达20GPa以上，复合层及基体间无明显界面，结合性好，使材料耐磨性和耐蚀性明显改善。

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，具体涉及到非平衡磁控溅射镀膜技术、激光助渗与离子渗氮技术的复合强化方式。

背景技术

铬为钢中重要的合金元素之一，特别是对于钢的耐蚀性起到决定性作用。在氧化性介质中，当铬含量大于13％，铬与氧结合能够在钢表面形成一层致密的氧化铬钝化膜，可使钢的极化电位正移，显著提高钢的耐蚀性。此外，铬的添加还能够提高钢的淬透性、强度和硬度等。含铬量在15％以上的铁铬固溶体合金，因具有良好的耐蚀性而被称为“不锈钢”，其中，奥氏体不锈钢是一种含铬量在16～30％的具有面心立方的铁碳合金，具有良好的耐蚀性和可加工性而被广泛应用汽车、管道、食品加工和化工设备等工业领域。然而，不锈钢的硬度低、耐磨性差、抗点蚀能力弱等缺点严重制约了它的应用。几十年来不断地研究发现，对不锈钢表面进行渗氮处理，可形成氮化过饱和固溶体，通过固溶强化效应提高不锈钢的摩擦学性能，硬度可提到1000HV以上。

目前的铁基合金渗氮处理方法如下：

方法一：文献1专利CN 105755427 A《一种奥氏体不锈钢及其复合等离子体强化方法》公开了一种奥氏体不锈钢电化学复合等离子体渗氮的处理方法：(1)对不锈钢表面进行预清洗，去除油污和杂质；(2)电化学处理生成纳米结构层；(3)清洗烘干；(4)低温渗氮处理。获得的氮化层硬度可达1200～1400HV，中性盐雾时间大于200h，具有较高的硬度和良好的耐蚀性能。

方法2：文献2专利CN 106637058 A《一种奥氏体不锈钢低温气体渗氮方法》公开了一种奥氏体不锈钢的低温气体渗氮方法：(1)表面钝化膜处理；(2)三阶段变温变浓度渗氮处理，即高温低浓度渗氮+低温低浓度渗氮+低温高浓度渗氮。该方法获得的渗氮层表面硬度可达到1075HV。

方法3：文献3专利CN 101386983 A《一种富Cr渗氮层的制备方法和应用》公开了一种抑制渗氮层脆性开裂的渗氮方法：首先通过控制在一定时间氨气流量、真空室压力及轰击功率进行离子渗氮，然后导入压强并进行离子轰击使得合金中的铬富集于渗氮层中而获得富铬渗氮层。该方法获得的渗氮层厚度为48μm左右，硬度在400～800HV范围内，Cr含量在20％到40％之间。

方法4：文献4《SKH51钢表面渗氮及热丝增强等离子体磁控溅射制备氮化铬涂层》公开了SKH51钢表面渗氮和制备氮化铬涂层的方法：(1)基体预处理—热丝增强等离子体磁控溅射渗氮(2)基体预处理—热丝增强等离子体磁控溅射氮化铬涂层(3)基体预处理—热丝增强等离子体磁控溅射渗氮—热丝增强等离子体磁控溅射氮化铬涂层。

方法5：文献5《等离子体增强磁控溅射渗氮及氮化铬涂层制备》公开了SKH51单一渗氮、单一沉积氮化铬涂层以及渗氮+氮化铬沉积的复合处理方法。

方法1不足：该方法只适用于奥氏体不锈钢的表面处理，为避免析出CrN破坏其耐蚀性均在低温下(～400℃)进行，该方法存在渗氮速率低，渗氮时间长，渗氮层硬度低(低于1500HV)等问题。

方法2不足：方法2同样存在方法1的问题。同时，该方法利用氨气作为气体渗氮的反应气体，需加入稀土催渗剂，不但提高了成本，还存在环境污染等问题。

方法3不足：方法3同样存在方法1的问题。同时，其渗氮层中Cr的富集来自于基体自身所含的Cr元素，这就局限于该方法只能针对含Cr量较高不锈钢，不适用于其他铁基合金。