CN101148769A - 一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，涉及一种材料表面纳米化方法。该方法包括渗氮和盐浴渗铬处理，盐浴渗铬处理是将渗氮后的钢材冷至室温并表面清洗后，再进行500℃～650℃下盐浴渗铬处理；盐浴基盐由：NaCl20～25％、BaCl230～35％和CaCl240～50％组成；以基盐质量百分比计，盐浴有效成分为：Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl3·6H2O25～50％和Si粉5～10％。该方法直接在钢材上生长获得由纳米晶粒CrN组成的薄膜，其与基体结合力良好，具有减小摩擦系数的效果；该方法薄膜生长速度快，适用钢种多。
Description
技术领域：
本发明涉及一种材料表面处理方法，特别是一种钢材表面纳米化方法，即直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法。
背景技术：
由于大部分失效(例如，疲劳，腐蚀，磨损等)均发生在材料的表面，所以材料表面改性一直受到研究者们的广泛重视。纳米结构表面由于具有很好的拉伸，抗疲劳，抗磨损及腐蚀的性能更是研究的热点。根据纳米材料合成机制的不同，可以将现有材料表面纳米化方法分为三大类：第一类是基于各种表面涂层或沉积技术实现的纳米化，例如物理/化学汽相沉积(PVD/CVD)，以及电镀等，这类方法的关键是，确保纳米化层与基体之间，以及纳米化层内纳米颗粒之间的牢固结合；第二类方法是在保持材料表面化学成分不变的情况下实现的表面自身纳米化，这类方法包括钢刷技术喷砂技术，表面纳米化强化工艺(SNH)，冲击技术，喷丸技术，以及表面机械研磨技术；第三类是混合方式将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时、或形成后，对材料进行化学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物，由于表面纳米化过程中产生了大量晶界，这就为原子扩散提供了理想的通道，从而促进化学处理进行。
另一方面，氮化铬(CrN)由于其优异的物理及力学性能近年来也受到广泛关注。现如今比较通用的能够用于制备氮化铬薄膜的方法，主要是物理/化学汽相沉积(PVD/CVD)，化学汽相沉积往往需要较高的处理温度(700～1200℃)，在这样高的处理温度下，被处理工件的基体组织粗大，变形严重，物理汽相沉积方法虽然能在200～500℃下进行，但是这种方法获得的薄膜与基体间元素扩散少，因而结合力不佳。近年来，一种复合热反应沉积/扩散(TRD)技术受到了一些研究者的关注，这种工艺初步显示出降低处理温度，减少工件变形的优势。但是文献报道的TRD技术共同的特点就是反应速度不够快，要获得有价值的氮化铬层，往往需要较长(几十个小时)的处理时间。有文献报道，在流化床中570℃下需进行TRD处理50小时后才获得8μm的氮化铬。其次，现TRD技术处理温度较高，文献可见最低温度报道为570℃。在这样的处理温度下，如果薄膜生长速度不够快，被处理工件仍然有变形的危险，因而适用钢种较少；针对TRD技术的现状，作者建立并发展了一种新的TRD处理技术，这种技术大大提高了TRD的反应速度，缩短了处理时间，降低了处理温度，并且能在钢材上直接生长纳米氮化铬薄膜，因而具有工业应用前景。另外，虽然现有制备纳米材料的方法很多，但是大部分方法技术复杂，只停留在实验室研究阶段，工业化批量生产存在一定困难。所以人们开始研究材料表面纳米化方法，但是目前为止，直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的钢材表面纳米化方法尚未见报道。这种表面纳米化方法的提出，丰富了材料表面纳米化研究思路。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种适用钢种的范围大，控制条件相对简单，在大温度范围内可直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法包括如下步骤：
(1)渗氮处理，对钢材经初处理后进行渗氮处理；
(2)盐浴渗铬处理，经步骤(1)处理后的钢材冷至室温并作表面清洗后，再进行500℃～650℃下盐浴渗铬处理；盐浴由基盐和有效成分组成；以质量百分比计，其中基盐由NaCl20～25％、BaCl2 30～35％和CaCl2 40～50％组成；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl3·6H2O25～50％和Si粉5～10％；
或者是盐浴渗铬处理为经步骤(1)处理后的钢材冷至室温并作表面清洗后，再在580～650℃处理温度下进行渗铬处理，盐浴由基盐和有效成分组成；以质量百分比计，其中所述基盐由CaCl246～50％，NaCl46～50％，KCl0～8％组成；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl3·6H2O25～50％和Si粉5～10％。
为进一步实现本发明目的，所述的渗氮处理为离子渗氮或者气体渗氮。
所述的渗氮处理是在540～650℃处理温度下进行渗氮处理。
所述的盐浴渗铬处理方法：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐熔化，向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至500～650℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中进行渗铬处理，随后将被处理工件从盐浴取出，水冷并清洗盐残留。
所述混合均匀的基盐熔化温度为600～620℃。
所述的待处理工件在盐浴中进行渗铬处理时间为3～24h。
本发明纳米CrN薄膜生长过程涉及的反应如下：
(a)渗氮形成的Fe2N，Fe4N相受热分解以提供所需N原子：
Fe2N→Fe4N+[N](提供N原子)
Fe4N→Fe+[N](提供N原子)
(b)盐浴反应提供Cr原子过程(基盐不参加反应，有效成分参加反应)：
CrCl3·6H2O→CrCl3+6H2O↑(受热脱水)
CrCl3+Cr(加入的铬粉)→CrCl2(得到直接有效成分)
CrCl2+Fe(基材)→[Cr](提供活性Cr)+FeCl2(加入Fe粉与之平衡，促进反应)
(c)加入Si粉加速盐浴反应过程，从而加速CrN晶粒形成：
2CrCl2+Si→SiCl4+2[Cr](提供更多的活性Cr原子)
(d)生成CrN
[Cr]+[N]→CrN。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
(1)本发明能直接在钢材上生长得到纳米晶粒的CrN薄膜，具有减小摩擦系数效果。
(2)本发明制备的氮化铬薄膜直接在钢材上生长而成，其与基体的结合力良好，热稳定性好。
(3)本发明制备氮化铬薄膜温度较低，薄膜生成速度快，可根据不同钢种需要(根据钢材的回火温度选择)，采用不用的处理温度和处理时间，节省能源，工业应用自由度好。
(4)本发明可以在较低温度(最低可以在500℃)下进行盐浴渗铬，确保了被处理工件基本不变形。渗铬完毕，可以采用直接水冷的方式将残留在工件上的盐清洗干净，这样弥补了以往盐浴处理时盐残留清洗困难的缺点。
(5)本发明，适用温度范围较宽，可在500～650℃获得纳米氮化铬薄膜的方法，处理温度可以直接选在钢材的回火温度上，这样使得“回火”与“渗铬”可以同时进行，简化了热处理工序。
(6)本发明应用TRD技术进行材料表面纳米化处理，获得纳米氮化铬薄膜，提出了一种新的材料表面纳米化思路，拓宽了氮化铬的工业化应用前景。
附图说明：
图1为实施例1在20钢上650℃盐浴渗铬3h，直接生长获得的纳米晶氮化铬薄膜的透射电镜明场像(TEM/BF)，及纳米晶氮化铬薄膜的选区衍射花样(如右上角插图)，所获得的厚度大约6.5μm的渗铬化合物层，为由晶粒尺寸在60～80nm的等轴CrN晶粒组成。
图2a为实施例12中H13钢500℃盐浴渗铬24h后，获得约为4μm的CrN层(如图中C层所示)及厚度约为20μm的扩散层(如图中D层所示)的显微组织横截面扫描电镜背散射像(SEM/QBSD)；
图2b是与图2a对应的，元素Cr、Fe的Kα1沿渗铬深度方向特征X射线计数分布图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1
20钢，正火处理后，再预处理表面，磨光，去油。然后进行540℃下离子渗氮8h，，离子渗氮使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气。随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行650℃下盐浴渗铬3h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在620℃左右熔化(在这个温度加入CrCl3·6H2O，可以减少挥发)，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温至CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度650℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温3h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：CaCl2 48％，NaCl 48％，KCl 4％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉20％，Fe粉10％，CrCl3·6H2O 50％，Si粉10％。如图1所示，本实施例获得了厚度大约为6.5μm(金相分析结果)，由晶粒尺寸在60～80nm的等轴晶粒组成的氮化铬层。盐浴中加入少量Si后，渗铬速度明显加快，从而在较短时间内获得了纳米晶渗层。
实施例2
20钢，正火处理后，再预处理表面，磨光，去油。然后进行540℃下离子渗氮8h，，离子渗氮使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气。随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行650℃下盐浴渗铬6h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在620℃左右熔化(在这个温度加入CrCl3·6H2O，可以减少挥发)，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温至CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度650℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温6h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：CaCl2 50％，NaCl 50％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉20％，Fe粉10％，CrCl3·6H2O 50％，Si粉5％。获得了厚度大约为6.5μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为90～110nm的纳米晶氮化铬层(XRD计算结果)。
实施例3
20钢，正火处理后，再预处理表面，磨光，去油。然后进行540℃下离子渗氮8h，，离子渗氮使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气。随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行580℃下盐浴渗铬12h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在620℃熔化(在这个温度加入CrCl3·6H2O，可以减少挥发)，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温至CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度580℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温12h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：CaCl2 46％，NaCl 46％，KCl 8％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10％，Fe粉5％，CrCl3·6H2O 25％，Si粉5％。获得了厚度大约为6μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为70～90nm的氮化铬层(XRD计算结果)。
实施例4
T10钢，调质处理后，再预处理表面，磨光，去油。然后进行540℃下离子渗氮8h，，离子渗氮使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气。随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行580℃下盐浴渗铬8h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在620℃熔化(在这个温度加入CrCl3·6H2O，可以减少挥发)，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温至CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度580℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温8h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：CaCl246％，NaCl 46％，KCl 8％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉15％，Fe粉7％，CrCl3·6H2O30％，Si粉7％。获得了厚度大约为6.7μm(金相分析结果)，晶粒尺寸在70～90nm的氮化铬层(XRD计算结果)。
实施例5
T10钢，经调质处理，并预处理表面，磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行650℃温度下盐浴渗铬3h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度650℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温3h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为6μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为70～90nm的氮化铬层(XRD计算结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 20％，BaCl1230％，CaCl2 50％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉20％，Fe粉10％，CrCl3·6H2O50％，Si粉5％。
实施例6
T10钢，调质处理，预处理表面磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行550℃温度下盐浴渗铬6h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度550℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温6h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为6.2μm(金相分析结果)，晶粒尺寸在60～80nm氮化铬层(XRD计算结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 25％，BaCl2 35％，CaCl2 40％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10％，Fe粉5％，CrCl3·6H2O 30％，Si粉7％。
实施例7
T10钢，调质处理，预处理表面磨光，去油，进行650℃下气体渗氮(采用井式炉，氨气分解率为85％)3h，出炉油冷，表面稍作清洗后，再进行550℃温度下盐浴渗铬6h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度550℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温6h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为4μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为50～70nm氮化铬层(XRD计算结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 25％，BaCl2 35％，CaCl2 40％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10％，Fe粉5％，CrCl3·6H2O 30％，Si粉10％。
实施例8
45钢，退火处理，预处理表面磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行550℃温度下盐浴渗铬6h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度550℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温6h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为7μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为60～80nm氮化铬层(TEM观察结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 20％，BaCl2 30％，CaCl250％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉20％，Fe粉10％，CrCl3·6H2O 30％，Si粉5％。
实施例9
45钢，退火处理，预处理表面磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行550℃温度下盐浴渗铬4h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度550℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温3h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为6.5μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为50～80nm的氮化铬层(TEM观察结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 20％，BaCl2 30％，CaCl2 50％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉20％，Fe粉10％，CrCl3·6H2O 30％，Si粉10％。
实施例10
45钢，退火处理，预处理表面磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行500℃温度下盐浴渗铬24h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度500℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温24h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为8.4μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为70～80nm氮化铬层(TEM观察结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 20％，BaCl2 30％，CaCl2 50％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10％，Fe粉5％，CrCl3·6H2O 25％，Si粉10％。原本500℃由于反应速度很慢，在短时间内无法渗铬，加入少量Si后渗铬速度明显加快。摩擦系数测试显示此种纳米晶粒组成的CrN晶粒要比同种方法获得(610℃渗铬24h)的较粗大的CrN晶粒组成的渗层摩擦系数小(用Optimol SRV4型摩擦性能测试系统的Ball on disc往复干摩擦方式测试结果)。
实施例11
纯铁，退火处理，预处理表面磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍作清洗后，再进行500℃温度下盐浴渗铬24h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在600℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度500℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温24h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。获得了厚度大约为9μm(金相分析结果)，晶粒尺寸为70～90nm的氮化铬层(TEM观察结果)。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 20％，BaCl2 30％，CaCl2 50％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10％，Fe粉5％，CrCl3·6H2O 25％，Si粉10％。
实施例12
H13钢在1030℃真空淬火，550℃回火一次，预处理表面磨光，去油，进行560℃下离子渗氮(使用钟罩式炉，采用50Pa低真空，介质为0.5m3/h氨气)5.5h，随炉冷至室温，表面稍用砂纸打磨，再进行500℃下盐浴渗铬24h。盐浴渗铬步骤为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐在610℃熔化，然后逐渐、少量分批缓慢地向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O；待所有欲加入CrCl3·6H2O均加入到熔化了的基盐中后，保温，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温控调至预处理温度500℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置30分钟左右，将待处理工件放入盐浴中；保温24h后，迅速将工件从盐浴取出，直接水冷以清洗盐残留。以质量百分比计，本实施例中盐浴渗铬配方为：基盐：NaCl 20％，BaCl2 30％，CaCl2 50％；以基盐质量百分比计，有效成分为：200目Cr粉10％，Fe粉5％，CrCl3·6H2O 25％，Si粉10％。本实施例获得了以晶粒尺寸为20～50nm，厚度大约为4μm的单相CrN层(如图2a所示的C层)，并且由元素Cr、Fe的特征X射线计数沿渗铬深度方向的分布图(如图2b所示)可知，在单相CrN层的下面形成了一层厚度大约为20μm(对应如图2a所示的D层)扩散层，TEM观察结果显示，该扩散层由晶粒尺寸为60～80nm的CrN和较大晶粒尺寸的α-Fe相组成。试验显示，不加Si粉时即使在600℃，渗铬效果也不好，加入适量Si粉后，在500℃获得较好的渗层。摩擦系数测试显示此种纳米晶粒组成的CrN晶粒要比同种方法获得(700℃渗铬12h)的较粗大的CrN晶粒组成的渗层摩擦系数小(用Optimol SRV4型摩擦性能测试系统的Ball on disc往复干摩擦方式测试结果)。
Claims (6)
1.一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)渗氮处理：对钢材经初处理后进行渗氮处理；
(2)盐浴渗铬处理：经步骤(1)处理后的钢材冷至室温并作表面清洗后，再进行500℃～650℃下盐浴渗铬处理；盐浴配方由基盐配方和有效成分配方组成；以质量百分比计，其中基盐由NaCl 20～25％、BaCl230～35％和CaCl2 40～50％组成；以基盐质量的百分比计，有效成分为；200目Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl3·6H2O 25～50％和Si粉5～10％：
或者是盐浴渗铬处理为：经步骤(1)处理后的钢材冷至室温并作表面清洗后，再在580～650℃处理温度下进行渗铬处理，盐浴配方由基盐配方和有效成分配方组成；以质量百分比计，其中所述基盐由CaCl246～50％，NaCl 46～50％，KC1 0～8％组成；以基盐质量的百分比计，有效成分为：200目Cr粉10～20％，Fe粉5～10％，CrCl3·6H2O 25～50％和Si粉5～10％。
2.根据权利要求1所述的一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，其特征在于所述的渗氮处理为离子渗氮或者气体渗氮。
3.根据权利要求1所述的一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，其特征在于所述的渗氮处理是在540～650℃处理温度下进行渗氮处理。
4.根据权利要求1所述的一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，其特征在于所述的盐浴渗铬处理方法为：先在坩锅炉中将混合均匀的基盐熔化，向熔化了的基盐中加入CrCl3·6H2O，待CrCl3·6H2O与基盐完全相熔，并搅拌均匀；然后将温度调至500～650℃，将混合均匀的Cr粉、Fe粉及Si粉加入盐浴中，并搅拌均匀，静置20～30分钟，将待处理工件放入盐浴中进行渗铬处理，随后将被处理工件从盐浴取出，水冷并清洗盐残留。
5.根据权利要求4所述的一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，其特征在于所述混合均匀的基盐熔化温度为600～620℃。
6.根据权利要求4所述的一种直接在钢材上生长纳米晶氮化铬薄膜的方法，其特征在于所述的被处理工件在盐浴中进行渗铬处理时间为3～24h。
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