[发明专利]一种不锈钢上铬合金层的制备方法

说明书

本发明公开了一种不锈钢上铬合金层的制备方法，步骤包括靶材、金属基体表面清理；排除空气、通入保护气；预轰击清理和活化处理；基体加热、元素扩散、高温溅射沉积、低温溅射沉积和降温冷却，本发明的制备方法简单易行、稳定性高、成本低、无污染且基体和表面合金层之间的结合力高，适合大规模的产业化生产，该制备方法采用多段工艺调控合金元素扩散和沉积效率，合金层厚度大，结合强度高，可得到铬含量呈梯度分布的高厚度表面铬合金层，提高了不锈钢硬度、耐腐蚀等物理和化学性能。

技术领域：

本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种不锈钢上铬合金层的制备方法。

背景技术：

磨损和腐蚀是最重要的表面损伤失效形式，据统计，因磨损、腐蚀失效造成的经济损失分别可达国民经济总产值的1%～2%和4%～5%。绝大多数疲劳断裂也主要是从表面开始而逐渐向内部发展的。由于磨损、腐蚀和疲劳断裂是产品（零件）的最主要失效形式，而它们又主要是发生在材料表面或开始于材料表面，因此，通过表面技术，提高材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能，可有效地保护或强化零件表面，防止失效现象。

材料表面技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类表面热处理技术，包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合、物理气相沉积、化学气相沉积等)。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。

目前，表面技术中应用较为广泛的是电镀、CVD、PVD、离子镀等，但这些方式均存在各自问题，需要进行改善。

现在工业化最为广泛的就是CVD，全名为化学气相沉积。待沉积元素由气相直接沉积成固体膜，是通过化学方法产生气体原子、离子、分子并使它们在基体上结合或凝固成固体膜，是一个气相-固相转变过程，靠过饱和度进行沉积。这种方法适合大规模生产，生产成本低，但仍存在一些问题：如边部易开裂，甚至破断，成材率低；反应过程需要腐蚀性气体-四氯化硅，腐蚀设备，污染环境等。

PVD工艺是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。这样通过碰撞将元素溅射出来沿一定方向射向基体，从而沉积在基体表面形成薄膜。尽管PVD工艺获得的膜层均匀、致密，但存在制备效率低，处理面积较小，成本高，制备条件不易控制等问题。

电镀工艺是将简单金属离子通过电化学途径在材料表面形成金属或合金镀层。沉积的膜层均匀，表面平整，但由于沉积层和基体之间为物理结合，存在明显界面层，结合强度小，易剥落损耗。

上述方式均可在不锈钢上制备铬层，提高不锈钢耐腐蚀性能，但严格来说铬元素均存在于不锈钢表面，未能向基体内扩散，从目前的工艺技术来看，在生产效率、结合性能、成本等方面均存在较大的改善空间。

针对上述问题，本发明采用双层辉光等离子表面冶金技术来实现不锈钢基体表面的铬合金化，同时规避上述技术问题。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种不锈钢上铬合金层的制备方法，包括以下步骤：

（1）靶材、金属基体表面清理：对铬靶材、不锈钢基体进行表面清理，将清理后的铬靶材、不锈钢基体置于炉内；

（2）排除空气、通入保护气：排除炉体内的空气后，向炉内通入不与铬靶材、不锈钢基体发生反应的惰性气体至炉内气压达到设定值；

（3）预轰击清理和活化处理：分别对铬靶材、不锈钢基体施加电压，清理表面的吸附杂质和氧化层；

（4）基体加热、元素扩散、高温溅射沉积和低温溅射沉积：先提高不锈钢基体的电压及电流，使基体温度上升至预定温度实现表面活化，再逐步降低基体电压，通过双辉光空心阴极放电，逐步增加铬靶材的电压以提高靶材电流密度和合金元素的溅射量；