[發(fā)明專利]一種鋼表面的涂層結(jié)構(gòu)及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010414721.2
• 申請(qǐng)日: 2020-05-15
• 公開（公告）號(hào): CN111733378B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳小虎;朱秀榮;徐永東;任政;趙樞明;付玉;邵志文;王軍;曹召勛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國兵器科學(xué)研究院寧波分院
• 主分類號(hào): C23C14/02
• 分類號(hào): C23C14/02;C23C14/14;C23C14/34;C22C27/06
• 代理公司: 寧波誠源專利事務(wù)所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛(wèi);張琳琳

本發(fā)明涉及一種鋼表面的涂層結(jié)構(gòu)及其制備方法，其中，一種鋼表面的涂層結(jié)構(gòu)由表面Cr沉積層、Cr擴(kuò)散層及輻射損傷層組成，所述表面Cr沉積層、中間Cr擴(kuò)散層及輻射損傷層自上而下依次布置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：鋼的涂層與基體通過Cr擴(kuò)散層的互相擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，提高了表面耐燒蝕和耐磨損。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于耐燒蝕和耐磨損涂層的制備領(lǐng)域，具體涉及一種鋼表面的涂層結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)

身管是火炮與自動(dòng)武器中最主要的部件之一，通常為鋼管。武器擊發(fā)后，發(fā)射藥在身管內(nèi)膛迅速燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的火藥氣體，推動(dòng)彈丸沿膛線運(yùn)動(dòng)，賦予彈丸相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)、外彈道，同時(shí)能夠使彈丸高速旋轉(zhuǎn)向前運(yùn)動(dòng)，確保彈丸在膛口獲得規(guī)定的初速和保證飛行穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)速。彈丸在膛內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在膛線頂部和導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的擠壓應(yīng)力可達(dá)100～200MPa，高溫、高速摩擦條件下，身管材料表面將發(fā)生氧化、熔化、相變等組織結(jié)構(gòu)和成分的變化，導(dǎo)致摩擦表面的化學(xué)及力學(xué)性能變化。如此惡劣的工作條件將造成身管內(nèi)膛尤其是膛線起始部嚴(yán)重的燒蝕和磨損現(xiàn)象。

身管的傳統(tǒng)表面處理工藝為電鍍鉻，該工藝可提升身管的耐燒蝕和耐磨性能，同時(shí)保持身管的整體力學(xué)性能。隨著火炮的威力不斷提高，所帶來的炮管嚴(yán)重?zé)g問題也越來越突出，該處理工藝逐漸難以滿足兵器工業(yè)對(duì)高質(zhì)量火炮身管的要求。該工藝的缺陷表現(xiàn)為三個(gè)方面，一是電鍍鉻脆性大、剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比較低，與基體的結(jié)合力較弱，易剝落；二是尚未服役的電鍍鉻鍍層內(nèi)部不可避免存在大量的微裂紋和殘余應(yīng)力，降低涂層的保護(hù)作用；電鍍鉻工藝中的六價(jià)鉻是一種致癌物質(zhì)，存在嚴(yán)重的環(huán)境危害問題。

雙層輝光等離子表面合金化以離子氮化為基礎(chǔ)，主要是在離子滲氮兩個(gè)電極之間再增加一個(gè)陰極，稱為源極，組成兩組可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的電極系統(tǒng)。由于雙輝等離子滲金屬技術(shù)獨(dú)特的濺射作用、空心陰極效應(yīng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的加速作用以及擴(kuò)散作用，形成的滲金屬合金層不僅均勻致密、殘余應(yīng)力小，而且能夠與基體形成冶金結(jié)合，界面成分呈梯度分布，涂層表面質(zhì)量較高，無需后續(xù)加工。

但是如果金屬內(nèi)存在大量地晶體缺陷如空位、空位團(tuán)或者線缺陷以及晶界等，則這些缺陷可作為易擴(kuò)散的快速傳質(zhì)通道,顯著可以降低擴(kuò)散溫度或縮短周期。金屬受離子輻照可產(chǎn)生的缺陷包括：點(diǎn)缺陷(間隙原子和空位)、小的空位團(tuán)(貧原子區(qū))、位錯(cuò)環(huán)(空位型或間隙型，層錯(cuò)的或非層錯(cuò)的)、層錯(cuò)四面體、位錯(cuò)線(和原有位錯(cuò)網(wǎng)已經(jīng)聯(lián)在一起的非層錯(cuò)環(huán))、空洞等。采用單一的雙輝滲金屬技術(shù)，處理溫度較高，嚴(yán)重影響基體的整體力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種提高鋼表面耐燒蝕和耐磨損性能的鋼表面的涂層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是，提供了一種鋼表面涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，通過將離子輻照處理技術(shù)和雙層輝光表面等離子滲金屬技術(shù)結(jié)合，進(jìn)而降低等離子滲金屬技術(shù)的處理溫度，在不影響基體整體力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，大幅提高鋼材料的耐燒蝕和耐磨損性能。

本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種鋼表面的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述涂層結(jié)構(gòu)由表面Cr沉積層、Cr擴(kuò)散層及輻射損傷層組成，所述表面Cr沉積層、中間Cr擴(kuò)散層及輻射損傷層自上而下依次布置。

優(yōu)選地，所述表面Cr沉積層的厚度為5～10μm，所述Cr擴(kuò)散層厚度為10～15μm，所述輻射損傷層的厚度為1～5μm。5～10μm厚度高硬度Cr沉積層內(nèi)應(yīng)力小，不易剝落；10～15μm厚度擴(kuò)散層保證沉積層與基體結(jié)合力良好，保證涂層和基體界面組織成分無突變，匹配良好；1～5μm輻射損傷層則可起到輻射強(qiáng)化基體作用，輔助改善涂層的表面磨損性能。

優(yōu)選地，所述Cr擴(kuò)散層中Cr的含量呈梯度分布，且自上而下逐漸遞減。Cr成分的梯度分布改善了涂層和界面組織和性能的相對(duì)連續(xù)，在外場(chǎng)熱力耦合作用下內(nèi)應(yīng)力小，不易剝落，有效改善涂層的燒蝕防護(hù)和磨損防護(hù)功能。