[發明專利]一種金屬材料表面滲氮沉積復合減摩耐磨改性層制備方法

有效

• 申請號: 201710030980.3
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106884136B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 何永勇;李楊;王偉;趙軍;胡寶國
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C23C8/38
• 分類號: C23C8/38
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

本發明公開了一種金屬材料表面滲氮沉積復合減摩耐磨改性層的制備方法，屬于金屬材料表面處理技術領域。將金屬材料工件表面磨平、拋光、清洗后，放置于空心陰極放電離子源滲氮爐內的陽極電位臺上，爐內抽真空到10?15Pa，充入氨氣并維持工作氣壓100?500Pa，在440?520℃保溫氮化8h，冷卻后得到滲氮沉積復合減摩耐磨改性層。試樣處于陽極電位，無需離子轟擊，氮原子也可滲入奧氏體基體形成滲氮強化層，有效避免了邊緣效應問題，整個表面的硬度是均勻的；金屬工件經陽極滲氮后，表面形成了滲氮沉積層，減摩耐磨性能明顯提升。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理技術領域，具體涉及一種金屬材料表面滲氮沉積復合減摩耐磨改性層制備方法。

背景技術

奧氏體不銹鋼由于表面存在致密的鈍化膜層，在氧化性介質具有優異的耐腐蝕性能。但是由于其表面硬度低和耐磨性差，導致在實際應用中，因磨損嚴重而失效。氮化作為改善奧氏體不銹鋼表面硬度和耐磨性的重要工程技術得到廣泛應用。低溫離子滲氮技術處理AISI 316奧氏體不銹鋼，氮化物析出被完全抑制，獲得了單一相的滲氮層。XRD表明原始奧氏體基體衍射峰向低角度偏移，形成新的較寬的衍射峰。在ASTM卡片中無法找到該相，故把此新相稱之為S相。S相的發現使得在提高不銹鋼硬度和耐磨性能的同時，不降低其原有的耐蝕性成為可能。

在常規直流離子滲氮(DCPN)過程中，離子轟擊可以消除表面鈍化層，無需去鈍處理。但因工件幾何形狀導致其電場分布差異，導致離子轟擊程度不同，進而造成工件表面溫度的不均勻性，最后存在工件表面傳熱傳質的差異。AISI316L不銹鋼在DCPN滲氮過程造成的“邊緣效應”問題，圓環區域硬度明顯高于中心區域，但耐腐蝕性能較差，顯微組織結構表明圓環處的為Cr2N相，而中心區域為S相。

為克服DCPN技術中的缺點，活性屏離子滲氮技術(ASPN)被發明出來。在ASPN滲氮過程中，工件處于懸浮狀態，離子不再轟擊工件表面，所以DCPN中的表面打弧、邊緣效應等問題就迎刃而解。ASPN技術具有設備簡單和操作方便等優勢，成為離子滲氮研究領域的熱點。

發明內容

本發明針對常規直流離子滲氮技術的不足，提供了一種金屬材料表面滲氮沉積復合減摩耐磨改性層制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將金屬材料工件表面磨平、拋光，用酒精清洗后，放置于空心陰極放電離子源滲氮爐內的陽極電位臺上；

(2)啟動抽真空系統對滲氮爐抽真空，當爐內真空度達到10-15Pa時，向真空爐內充入凈化過的氨氣，使氨氣均勻分布在整個滲氮爐內，調節氨氣的流量，使爐內的壓強保持100-500Pa；

(3)打開供電系統的電源，爐內的氨氣在高壓電場的作用下發生電離形成NH_j⁺、N⁺和H⁺等離子體，到達所滲氮溫度后，開始計算保溫時間；

(4)保溫結束后，切斷電源，維持低壓，使工件在氨氣氣氛中隨爐冷卻，待溫度降到200℃以下出爐，得到滲氮沉積復合減摩耐磨改性層。

步驟(1)所述金屬材料為AISI304奧氏體不銹鋼，其組成為：C 0.05wt％；Si0.80wt％；Mn 1.50wt％；Cr 17.5wt％；Ni 9.50wt％；Mo 0.013wt％；T i 0.011wt％；余量為Fe。

步驟(1)所述空心陰極放電離子源滲氮爐采用脈沖電源，爐壁作為陽極，空心不銹鋼管陣作為放電陰極，其中，空心不銹鋼管直徑為8～10mm。

步驟(3)所述滲氮溫度440-520℃，保溫時間8h。

步驟(4)所述滲氮沉積復合減摩耐磨改性層的厚度為6-16μm。