[发明专利]一种40Cr钢表面PN-Al复合渗层的制备方法

说明书

本发明涉及一种40Cr钢表面PN‑Al复合渗层的制备方法，包括以下步骤：第一步采用离子渗氮在40Cr钢表面制备氮化层（Plasma Nitriding，简称PN层）；第二步将离子渗氮处理后的40Cr包埋到Al粉、Zn粉、Al₂O₃粉、NH4Cl粉的混合粉料中，在真空气氛回转炉中加热到530℃，保温4h，物理去除包埋粉料后在40Cr钢表面得到PN‑Al复合渗层。

技术领域

本发明涉及一种40Cr钢表面PN-Al复合渗层的制备方法。

技术背景

40Cr钢作为机械制造业使用最广泛的中碳合金钢之一，常用于制造机床蜗杆、花键轴、齿轮、顶尖套、轴等工件。上述工件在长期承受载荷、介质作用时，容易产生腐蚀失效。离子渗氮和低温包埋渗铝是碳钢常见的低温防腐渗层处理技术。渗氮层对碳钢的硬度提高明显，但渗层薄，表面脆性高，耐腐蚀性不足；渗铝层可以显著提高碳钢的耐腐蚀性能，但渗铝层硬度较低，渗层与碳钢基体界面结合不均匀。因此，单一渗氮层、单一渗铝层无法满足碳钢零件在复杂工况环境下耐腐蚀的性能需求。

利用离子渗氮首先在钢基体表面渗入氮元素，生成PN层；再借助Al与N的强亲和力，采用低温包埋渗铝在PN层内渗入Al元素，生成PN-Al复合渗层。PN-Al复合渗层厚度增加，硬度呈梯度分布。PN-Al复合渗层40Cr的腐蚀失重比单一Al层40Cr减少了37.6%，比单一PN层40Cr减少了62.6%，PN-Al复合渗层具有优异的耐腐蚀性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可提高40Cr钢耐腐蚀性能的PN-Al复合渗层制备方法。

本发明的实现包括以下步骤：

S1，利用离子渗氮在40Cr表面制备PN层；

S2，对经步骤S1处理后的40Cr进一步采用低温包埋渗铝法制备Al层；

S3，物理去步骤S2中的包埋粉料，得到40Cr钢PN-Al复合渗层。

所述步骤S1的工艺参数为：将经过预处理后的40Cr工件放入离子渗氮炉中，渗氮温度510 ℃，渗氮时间6 h；工作气体为NH₃，工作气压650 Pa，工作电压650V，工作电流80-90A。

所述步骤S2的工艺参数为：渗铝温度530℃，渗铝时间2 h；渗剂组成及含量（质量百分比）如下：金属源Al粉（60-80%，150目）、Zn粉（38.8 wt.%, 150目），活化剂NH₄Cl（1-5%），填充剂Al₂O₃（余量，150目）。

与现有技术相比，本发明所述的样品制备方法具有以下的优点：PN-Al复合渗层厚度约50 µm、渗层硬度呈现梯度分布；与单一PN层、单一Al层相比，PN-Al复合渗层具有更加优异的耐腐蚀性。

附图说明

图1为40Cr钢表面PN-Al复合渗层表面的X射线衍射图谱。

图2为40Cr钢表面PN-Al复合渗层的场发射扫描电子显微镜图。

图3为40Cr钢断面PN-Al复合渗层的场发射扫描电子显微镜图。

图4为本发明实施例制备40Cr钢表面PN-Al复合渗层硬度分布曲线。

图5为本发明实施例制备PN-Al复合渗40Cr钢、离子渗单一PN层40Cr钢、包埋渗单一Al层盐雾腐蚀60 h失重率统计图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明的实现包括以下步骤：

S1，利用离子渗氮在40Cr表面制备PN层；