专利名称：一种钢质零件及其复合表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种钢质零件及其复合表面处理方法。
背景技术：
人类对钢的应用和研究历史相当悠久，但是直到19世纪贝氏炼钢法发明之前，钢的制取都是一项高成本低效率的工作。如今，钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用最多的材料之一，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的成分。随着社会的发展，人们对材料的要求也越来越高，单一的表面处理已不能保证钢的综合性能要求；因此， 迫切需要一种复合处理方法，以提高钢的硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能，使钢材料可以在恶劣环境下具有更长的寿命。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种钢质零件，该钢质零件应具有较高的硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能，更长的使用寿命。本发明的另一目的是提供一种钢质零件的复合表面处理方法，该方法应能提高钢质零件的硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能，延长钢质零件的使用寿命；并且处理方法简单易行，成本不高。本发明提供的技术方案是一种钢质零件，包括钢质基体，其特征在于该钢质基体的表面制有一层厚度为 30 300um的预处理层，预处理层表面由内而外依次包覆着厚度为5 IOum的硬质耐磨层以及厚度为2. 5 4um的固体润滑减摩层。所述预处理层为离子氮化层，或者是化学镀层，或者是电镀层。所述的离子氮化层包括从钢质基体深处至钢质基体表面依次包覆的厚度为25 300um的扩散层和厚度为0 IOum的氮化白亮层；其中氮原子的含量为5 30%。所述化学镀层以及电镀层均为镍原子镀层或铬原子镀层；镍原子镀层或铬原子镀层中掺有粒度为0. 5 IOum的金刚石粉或改性陶瓷粉，掺入的重量比例为0 15%。所述的硬质耐磨层从预处理层表面垂直方向自内向外依次包括Cr打底层、CrN过渡层、CrMoN合金镀层；其中，Cr打底层厚度为0. 2 2um，成分为铬原子；CrN过渡层厚度为0. 3 2um，氮原子与铬原子的比例为0 3 1 ；CrMoN合金镀层厚度为3 10um，其中 Cr原子的比例为20 30%，Mo原子的比例为20 30%，氮原子的比例为40 60%。所述的固体润滑减摩层从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外依次包括纯Cr打底层、过渡层、碳基固体润滑层；其中，纯Cr打底层厚度为0. 2 2um，成分为Cr ；过渡层厚度为0.5 1.5um，碳原子与Cr原子的原子比为O 80 1 ；碳基固体润滑层厚度为0. 8 5um，Cr原子与碳原子的原子比为1 82 85。一种钢质零件的表面复合处理方法，依次包括以下步骤1)表面清洁
钢质零件表面采用清洗溶剂进行超声波清洗；
2)制作预处理层
将清洗后的钢质零件置于离子氮化炉中进行氮化扩散处理，或者进行化学镀处理，或者进行电镀，使铸铁件表面形成一预处理层；
3)制作硬质耐磨层
将制有预处理层的钢质零件放入非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室中，先在真空状态下通入氩气进行清洗，此后开启Cr靶制作Cr打底层，接着通入氮气制作CrN过渡层，最后开启Mo祀制作CrMoN合金镀层；
4)制作固体润滑减摩层
将制有硬质耐磨层的钢质零件放入另一非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室中， 在真空状态下通入氩气，用等离子体轰击清洗基体表面20分钟；然后开启Cr靶30分钟制作纯Cr打底层；Cr靶功率减小，石墨靶的功率逐渐升高沉积过渡层，然后保持参数不变制备碳基固体润滑层。
所述氮化处理时，氮气和氢气的混合比例为I : 3 I : 6，腔体气压为200 600Pa，氮化的温度控制在500 520°C，保温时间8 10h。
所述步骤3)和步骤4)中，钢质零件放在可转动的试样架上。
本发明的有益效果是由于所提供的钢质零件具有较高的表面硬度，较好的耐磨性能以及较强的耐腐蚀性(硬度达到1800HV 2800HV，结合力Lc > 80N，摩擦系数为0.04 0. 07，比磨损率为0. 3 X Kr16 0. 6X 10_16,开路电位为-0. 25V -0. 07V)，还提高了钢质零件的使用寿命，进而大幅度扩展了应用范围，降低了制造成本。
本发明提供的钢质零件表面复合处理方法，处理后的钢质零件的各项性能远远超过常规表面处理的水平。此外，该处理方法简单，工艺稳定且可重复性高，适合规模化生产。
图I为本发明所述钢质零件的表面镀层结构的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例进一步说明。
如图所示，该钢质零件中，在钢质基体I表面由内而外依次包覆着厚度为30 300um的预处理层2、厚度为5 IOum的硬质耐磨层3以及厚度为2. 5 4um的固体润滑减摩层4。
所述离子氮化层的扩散层中，氮含量从钢质基体深处至基体表面越来越高。
所述CrN过渡层中，氮原子与铬原子的比例为0 3 1，从预处理层表面垂直方向自内向外，是一个氮原子含量逐渐增多的渐变过程。
所述的固体润滑减摩层的过渡层中，从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外Cr原子逐渐减少，碳原子逐渐增多。
上述改性陶瓷粉及其它所有原材料均外购获得。
本发明所述的对钢质零件表面的复合处理方法，通过非平衡磁控溅射离子镀设备 (外购设备)实现。
除特别注明之外，本文所述比例均为原子数量比。实施例1表面经1200#砂纸打磨过的钢质零件(活塞杆)，用清洗溶剂(丙酮)进行超声波清洗20分钟，装于离子氮化炉工件夹具上；腔体抽真空至40 以下，通入纯度彡99. 9%的氮气和氢气的混合气体(氮气和氢气的混合比例为1 3 1 6)，加电压400 800V， 先进行打弧清理；待稳定后，逐步提高腔体气压，增大电流强度，使工件升温进行氮化扩散。 腔体气压为200 600Pa，氮化的温度控制在500 520°C，保温时间10h。将氮化好的工件放入镀层设备真空室的旋转试样架上，氩气流量IOsccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗工件表面20分钟。偏压-65V时沉积Cr打底层5min， Cr靶输入功率2kW ；接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制CrN过渡层，时间60min，其它参数与制备Cr打底层一样；最后打开Mo靶，靶输入功率2kW，其它参数与上一个步骤一样。 在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是5rpm。工件冷却后取出，直接放入另一真空室内的旋转试样架上，氩气流量IOsccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗工件表面20分钟；偏压-60V时沉积纯Cr打底层 5min, Cr靶输入功率2kW ；接着Cr靶的功率逐渐降低为0. 5kw,石墨靶的功率逐渐升高至 2kw，其它参数与制备纯Cr打底层一样沉积过渡层；最后保持此参数沉积6小时制备碳基固体润滑层。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是3rpm。加工后的工件根据以下方式检测处理层的硬度用纳米压入仪测量，每一试样在不同位置测量6点取平均值。处理层厚度分别用球坑仪和断面扫描电镜测定。 处理层耐磨性和摩擦系数用球盘磨损试验机测量，对磨材料为直径5mm的WC_6% Co硬质合金球，相对滑动速度200m/min，载荷40N，磨损时间30min。用HT-3001划痕仪定量测量镀层的结合强度，测试其膜基破坏临界载荷Lc，载荷从ION加到100N，滑动速度10mm/min。检测结果为扩散层厚度为80um，氮化白亮层厚度为5um。硬质耐磨层厚度为 7um;其中，Cr打底层厚度为0. 3 μ m，CrN过渡层厚度为Ι.Ομπι，CrMoN合金镀层的总厚度为5. 7 μ m。固体润滑减摩层的厚度是3. 2um，硬度是1800HV，结合力Lc > 80N，摩擦系数为
0.05 0. 07，比磨损率为0. 5X 10_16，开路电位(抗腐蚀指标)为-0. 20V。实施例2发动机活塞环经化学除油一清洗一浸酸活化一冷水清洗一去离子水洗等之后，在电镀溶液中加入粒度为5um的陶瓷粉末(陶瓷粉末占镀层的重量比例为3%)并充分搅拌， 其余按常规电镀操作进行电镀铬作业，温度58 60°C，时间15 18min，完成之后取出工件，清洗，烘干后置于真空镀层设备内的旋转试样架上，其它所有实施过程和参数同实施例1。检测结果是电镀铬层厚度为115 μ m ；硬质耐磨层厚度为7um，固体润滑减摩层的厚度是3. Oum。硬度是1800HV，结合力Lc > 80N,摩擦系数为0. 05 0. 07，比磨损率为 0. 3X10_16，开路电位为-0. 18V。
实施例3
对钢制压缩机滑片进行表面处理；按照实施例I步骤制备完成硬质耐磨层，之后将工件放进真空室内，氩气流量IOsccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗工件表面20分钟；偏压-65V时沉积Cr打底层5min，Cr靶输入功率2kW ;接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制CrN过渡层，时间60min，其它参数与制备Cr层打底时一样；然后开启射频电源，电源为800V，并慢慢通入纯度为99. 9%的乙炔气体，其它参数与上一步骤相同制备碳基固体润滑层。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns， 工件所在的旋转试样架的转速是5rpm。
检测结果是扩散层厚度为80um,氮化白亮层厚度为5um。硬质耐磨层厚度为7um, 固体润滑减摩层的厚度是3. 5um。硬度是2850HV，结合力Lc = 80N，摩擦系数为0. 04 0. 06，比磨损率为0. 6X 10_16,开路电位为-0. IOV。
权利要求
1.一种钢质零件，包括钢质基体(1)，其特征在于该钢质基体的表面制有一层厚度为 30 300um的预处理层( ，预处理层表面由内而外依次包覆着厚度为5 IOum的硬质耐磨层(3)以及厚度为2. 5 4um的固体润滑减摩层⑷；所述预处理层为离子氮化层，或者是化学镀层，或者是电镀层；所述的硬质耐磨层从预处理层表面垂直方向自内向外依次包括Cr打底层、CrN过渡层、CrMoN合金镀层；所述的固体润滑减摩层从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外依次包括纯Cr打底层、 过渡层、碳基固体润滑层。
2.根据权利要求1所述的一种钢质零件，其特征在于所述的离子氮化层包括从钢质基体深处至钢质基体表面依次包覆的厚度为25 300um的扩散层和厚度为O IOum的氮化白亮层；其中氮原子的含量为5 30%。
3.根据权利要求2所述的一种钢质零件，其特征在于所述化学镀层以及电镀层均为镍原子镀层或铬原子镀层；镍原子镀层或铬原子镀层中掺有粒度为0. 5 IOum的金刚石粉或改性陶瓷粉，掺入的重量比例为0 15%。
4.根据权利要求2或3所述的一种钢质零件，其特征在于所述的硬质耐磨层中，Cr打底层厚度为0. 2 2um，成分为铬原子；CrN过渡层厚度为0. 3 2um，氮原子与铬原子的比例为0 3 1;(州(^合金镀层厚度为3 1011111，其中(>原子的比例为20 30%^0原子的比例为20 30%，氮原子的比例为40 60%。
5.根据权利要求4所述的一种钢质零件，其特征在于所述的固体润滑减摩层中，纯Cr 打底层厚度为0. 2 2um，成分为Cr ；过渡层厚度为0. 5 1. 5um，碳原子与Cr原子的原子比为0 80 1 ；碳基固体润滑层厚度为0.8 5um，Cr原子与碳原子的原子比为1 82 85。
6.一种钢质零件的表面复合处理方法，依次包括以下步骤1)表面清洁钢质零件表面采用清洗溶剂进行超声波清洗；2)制作预处理层将清洗后的钢质零件置于离子氮化炉中进行氮化扩散处理，或者进行化学镀处理，或者进行电镀，使铸铁件表面形成一预处理层；3)制作硬质耐磨层将制有预处理层的钢质零件放入非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室中，先在真空状态下通入氩气进行清洗，此后开启Cr靶制作打底层，接着通入氮气制作CrN过渡层，最后开启Mo靶制作CrMoN合金镀层；4)制作固体润滑减摩层将制有硬质耐磨层的钢质零件放入另一非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室中，在真空状态下通入氩气，用等离子体轰击清洗基体表面；然后开启Cr靶制作纯Cr打底层；Cr靶功率减小，石墨靶的功率逐渐升高沉积过渡层，然后保持参数不变制备碳基固体润滑层。
7.根据权利要求5所述的一种钢质零件的表面复合处理方法，其特征在于所述氮化处理时，氮气和氢气的混合比例为1 3 1 6，腔体气压为200 600Pa，氮化的温度控制在500 520°C，保温时间8 IOh。
8.根据权利要求6所述的一种钢质零件的表面复合处理方法，其特征在于所述步骤3) 和步骤4)中，钢质零件放在可转动的试样架上。
全文摘要
本发明涉及一种钢质零件及其复合表面处理方法。目的是提供的钢质零件应具有较高的硬度的特点；提供的方法应能提高钢质零件的硬度的特点。技术方案是一种钢质零件，包括钢质基体，其特征在于该钢质基体的表面制有一层厚度为30~300μm的预处理层，预处理层表面由内而外依次包覆着厚度为5~10μm的硬质耐磨层以及厚度为2.5~4μm的固体润滑减摩层。一种钢质零件的表面复合处理方法，依次包括以下步骤1)表面清洁；2)制作预处理层；3)制作硬质耐磨层；4)制作固体润滑减摩层。
文档编号C23C14/35GK102534532SQ201210016199
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者于磊, 周丹华, 张碧云, 李凡巧 申请人:浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司