[发明专利]一种钢质零件及其复合表面处理方法

说明书

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5～10um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0～10um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0.5～10um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。

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1∶3～1∶6，腔体气压为200～600Pa，氮化的温度控制在500～520℃，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0.3×10^-16～0.6×10^-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。

附图说明