[发明专利]一种钢基表面合金化-离子渗氮耐磨耐蚀复合改性层及其制备方法

说明书

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种钢基表面合金化‑离子渗氮耐磨耐蚀复合改性层及其制备方法，将合金化技术与稀土催化离子渗氮技术结合起来，在钢基表面制备了Cr‑Ni‑Ti‑La合金化‑离子渗氮耐磨耐蚀复合改性层，解决了碳钢在常规渗氮处理中渗氮速度慢，生产周期长，效率低，渗氮层浅，硬度梯度大，脆性偏高，容易在疲劳磨损中出现渗氮层的脆性剥落，耐磨性和耐蚀性较基体提高程度偏低的问题。

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种钢基表面合金化-离子渗氮耐磨耐蚀复合改性层及其制备方法。

背景技术

在工业生产中，磨损和腐蚀是钢制结构件的主要失效形式之一。为提高钢制结构件的耐磨性和耐蚀性，表面渗氮处理是一种常用手段。但常规渗氮技术渗氮速度慢，渗层浅，硬度梯度大，脆性偏高，容易在疲劳磨损中出现渗氮层的脆性剥落，耐磨性和耐蚀性较基体提高程度偏低，不能满足对耐磨性和耐蚀性有更高要求的工况环境。

目前，常规的“加快渗氮速度，增加渗层深度，改善渗层性能的”的手段主要有控制氮势和周期循环渗氮、稀土催化渗氮、表面预氧化、表面预变形、表面纳米化预处理以及渗氮后再进行激光硬化复合处理，这些技术虽然能够在一定程度上加快渗氮速度、增加渗层深度、改善渗层性能，但对钢基表面渗氮层的组成相的类型(Fe-N化合物)没有根本改变，因此对耐磨性和耐蚀性的提高程度有限，同时还存在渗氮速度慢，生产周期长，效率低，渗氮层浅，硬度梯度大，脆性偏高的问题；因而如何加快渗氮速度，增加渗层深度，降低硬度梯度和渗层脆性，进一步提高渗层耐磨耐蚀性是目前主要面临的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的诸多问题，提供了一种钢基表面合金化-离子渗氮耐磨耐蚀复合改性层的制备方法，将合金化技术与稀土催化离子渗氮技术结合起来，在钢基表面制备了Cr-Ni-Ti-La合金化-离子渗氮耐磨耐蚀复合改性层，解决了碳钢在常规渗氮处理中渗氮速度慢，生产周期长，效率低，渗氮层浅，硬度梯度大，脆性偏高，容易在疲劳磨损中出现渗氮层的脆性剥落，耐磨性和耐蚀性较基体提高程度偏低的问题。

本发明将合金化技术与催化渗氮技术有机的结合起来，在钢基表面制备合金化-渗氮复合改性层。渗氮之前，先采用双层辉光渗金属技术在钢基表面渗上一定比例的Cr、Ni、Ti、La合金化元素，使钢基表面形成比基体具有更高强度的合金层，以增加对渗氮层的强度支撑并改善截面的硬度梯度，避免渗氮层在疲劳磨损中出现脆性剥落；此外合金层中的稀土元素对渗氮有显著的催化作用，可以极大地提高渗氮速度，降低生产周期，增加渗氮层厚度；Cr元素的加入可以进一步提高渗氮层的耐磨性和耐蚀性；Ni具有FCC晶体结构，可降低渗层脆性；Ti有显著细化晶粒的作用，可进一步增加复合改性层的强韧性。

本发明的具体技术方案如下：

发明人首先提供了本发明所需要的合金化-渗氮复合改性层的合金配方如下：按重量份计为：

Cr 63-65份，Ni 30-33份，Ti 1.2-2份，La 1.2-2份；

上述组分中，以与铁基具有良好相溶性的Cr和Ni为主要元素，起细化晶粒作用的Ti和催化渗氮作用的稀土La作为微量元素，其中的Cr可以显著提高钢基体的电极电位，渗氮过程中与N极易生成比Fe-N化合物耐磨性和耐蚀性更好的致密的CrN化合物层，极大地提高钢制结构的耐磨性和耐蚀性，此外可以增加钢基体的强度，改善渗氮工件截面的硬度梯度，增加对渗氮层的强度支撑；Ni具有FCC晶体结构，可增加基体的韧性，降低渗层脆性，因此靶材中以Cr与Ni为主要元素，Cr和Ni的重量比为2：1左右为宜；适量的钛可以细化晶粒，改善合金层组织，但钛含量过高极易生成脆性极大的Ti-Fe化合物和Ti-N化合物，增加渗氮层脆性，因此将Ti作为微量元素，重量份在1.2-2份范围；稀土La的原子半径远大于Cr、Ni、Fe，适量的La可以催化渗氮，增加渗氮速度和渗层厚度，并可以起到细化晶粒、改善组织和固溶强化的作用，但过量的La的加入会引起大的晶格畸变，增加内应力，形成脆性化合物并增加成本，因此La的重量份数选择在1.2-2份范围。