CN101824617A - 一种钢铁材料表面多孔化的工艺方法 - Google Patents

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崔国栋
杨川
高国庆
吴大兴
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Abstract

本发明公开了一种钢铁材料表面多孔化的工艺方法，利用气体渗氮的方法对钢铁材料进氮化处理，在材料表面获得大于50微米厚度的以ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层；再采用化学镀或电镀在前处理得到的产物表面得到一层(或多层)厚度大于10微米的Ni、Cu、Cr等金属或合金镀层；再经过工艺高温加热使氮气受热膨胀穿破镀层释放在表面镀层和渗氮层内部留下氮气膨胀时产生的大量孔洞，从而得到表面多孔化钢铁材料。采用本发明方法可以在钢铁材料表面形成孔径尺寸在1-50微米之间，表面孔隙率＞30％的多孔结构。

Description

一种钢铁材料表面多孔化的工艺方法
技术领域
本发明属于金属材料，尤其是材料表面技术的制造领域。
背景技术
多孔金属材料是一类具有明显孔隙特征并兼有结构材料和功能材料的双重作用的新型材料。作为结构材料、具有密度小、孔隙率高，比表面积大等特点；作为功能材料，具有减震、吸波、隔音降噪、电磁屏蔽等性能。金属材料具有高的强度、硬度、韧性、塑性和良好的抗老化性和高温稳定性，是工程应用中不可取代的结构材料。若在金属材料，特别是钢铁材料表面进行多孔化处理，获得高孔隙率的多孔结构，即可保证钢铁材料心部具有的良好的力学性能，又使得表面具有了多孔材料良好的减震、吸波、隔音降噪、散热等特殊性能，对进一步拓展金属材料的应用范围具有重要意义。例如：在武器装备的外壳材料表面形成一种多孔结构，会大幅度提升武器装备的隐身性能。又如：在高速列车的车轮表面形成一层多孔结构会大幅度提高车轮运行过程中的减震性和散热性。目前现有材料表面多孔化的方法多集中于表面多孔薄膜的制备，钢铁材料表面多孔化处理也有在钢铁材料表面制备一层多孔陶瓷结构的、也有在钢铁材料表面涂一层多孔材料的，而关于利用钢铁表面渗氮处理+镀层复合处理后再进行多孔化处理的方法还未见报道。
发明内容
本发明的目的是探讨一种有效地获得表面多孔钢铁材料，使之能有工业应用的条件。在多年从事钢铁材料表面化学热处理及表面复合防护技术研究的基础上，利用Fe-N合金高温相变原理提出了本发明，从而研究获得一种钢铁材料表面多孔化制备方法，使钢铁材料表面多孔化处理容易实现。本发明的目的是通过以下的手段实现的。
一种钢铁材料表面多孔化工艺方法，包含如下的工艺步骤：
(1)利用气体渗氮的方法在550℃～650℃的条件下对钢铁材料进行5-10小时的氮化处理，在钢铁材料表面获得大于50微米厚度的以ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层；(2)对工艺(1)处理得到的具有ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层的钢铁材料进行表面镀层处理，在所述化合物层表面得到金属镀层；(3)工艺(2)处理得到的钢铁材料在保护气氛或真空条件下进行高温加热处理，在此所述条件下，钢铁材料表面层中氮气穿破镀层而释放掉，在钢铁材料表面形成多孔结构，孔径尺寸在1-50微米之间，表面孔隙率＞30％。
在高温条件下，根据Fe-N相图，Fe-N合金在高温加热的条件下会发生相变而释放出氮气，氮气会受热膨胀，当氮气受热膨胀产生的压力超过表面镀层所承受的能力时，氮气就会穿破镀层而释放掉，所以在表面镀层和渗氮层内部就会留下氮气膨胀时产生的大量孔洞，若表面没有镀层，那么Fe-N合金高温分解产生的氮气就不会发生膨胀而直接释放掉，那么就不易在表面形成大量的气孔；
本发明与现有的其它表面处理技术相比，可以在钢铁材料表面形成一种多孔结构，该多孔层与基体材料属于一体，不存在结合力问题，多孔层的成分可以根据实际使用要求进行选择。采用本发明方法在钢铁材料表面形成的多孔结构稳定、具有比基体材料更好的抗蚀性、散热性和降噪减震性能。采用本发明方法制备的钢铁材料表面多孔层具有孔径小、孔隙分布均匀等特点。在制备过程中采用了成熟的气体渗氮的方法在钢铁材料表面形成一层较厚的、氮浓度较高的Fe-N合金层，再利用成熟的化学镀或电镀技术在经过氮化处理的样品表面镀一层(或多层)Cu、Ni、Cr等金属或合金，最后在保护气氛或真空条件下进行高温加热处理，利用Fe-N合金高温相变产生氮气的原理在表面形成多孔结构。其中Fe-N合金粉末的制备过程是在普通的井式气体氮化炉中完成的，其过程可控、操作简单、容易实现；化学镀或电镀是目前广泛应用的成熟技术，利用化学镀或电镀技术可以在Fe-N合金表面镀一层较厚的金属或合金，镀层厚度可以通过镀的时间来控制；真空(或保护气氛)下高温加热可以在密闭的高温炉中进行，因此，整个制备过程容易实现。
附图说明如下：
图1是采用本发明的方法在低碳钢表面形成多孔结构的金相图。
具体实施方式
首先，利用气体渗氮的方法在550℃～650℃的条件下对钢铁材料样品进行5-10小时的氮化处理，在钢铁材料表面获得大于50微米厚度的以ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层；再利用化学镀或电镀的方法对经过气体氮化处理的样品进行表面镀金属复合处理，在其表面得到一层(或多层)厚度大于10微米的Ni、Cu、Cr等金属或合金镀层；最后将复合处理的样品在保护气氛或真空条件下进行高温(温度＞800℃)加热处理；(4)在高温条件下，Fe-N合金会发生相变而释放出氮气，氮气会受热膨胀，当氮气受热膨胀产生的压力超过表面镀层所承受的能力时，氮气就会穿破镀层而释放掉，在表面镀层和渗氮层内部就会留下氮气膨胀时产生的大量孔洞，从而可以在钢铁材料表面得到一层具有微孔结构的多孔层。
在实际实施中，根据本发明的基本方案，还可做出多方面的调整，表面金属镀层可以通过化学镀或电镀的方法获得。表面金属镀层可以是纯金属也可以是合金镀层，表面金属可为Ni、Cu、Cr中的一种或多种。表面金属镀层可以为一层也可以为多层不同金属组成的结构。
实施例1
采用2mm厚度的Q235钢板在600℃的条件下利用氨气进行快速气体氮化处理，设备为10KW的井式气体渗氮炉，氨通气量约为0.2-0.4m3/h，氮化处理时间为5小时；将经过快速气体氮化处理得到的样品在PH值5.0的酸性Ni-P镀液(可以参考李宁主编的《化学镀使用技术》(化学工业出版社，北京，2004年1月第1版)来自行配制、也可以在进行化学镀的企业购买)中进行化学镀1小时后，样品表面沉积15微米厚的Ni-P合金层；最后将复合处理的样品在高纯氩气保护下加热到950℃保温1小时，平均孔径为3-10微米，孔隙率＞30％的多孔结构层。钢铁表面多孔结构400×金相图如图1所示，基体组织：铁素体+珠光体，表面为多孔结构。
实施例2
采用实施例1相同的经过快速气体氮化处理的样品先进行表面电镀5微米左右的铜，然后再电镀5微米左右的镍，最后再电镀5微米左右的铬，形成铜-镍-铬多层复合结构；与实例1同样的方法进行保护气氛下1000℃加热1小时，同样可以得到平均孔径为3-10微米，孔隙率＞30％的多孔结构层。

Claims (5)

1.一种钢铁材料表面多孔化的工艺方法，包含如下的工艺步骤：
(1)利用气体渗氮的方法在550℃～650℃的条件下对钢铁材料进行5-10小时的氮化处理，在钢铁材料表面获得大于50微米厚度的以ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层；(2)对工艺(1)处理得到的具有ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层的钢铁材料进行表面镀层处理，在所述化合物层表面得到金属镀层；(3)工艺(2)处理得到的钢铁材料在保护气氛或真空条件下进行高温加热处理，在此所述条件下，钢铁材料表面层中氮气穿破镀层而释放掉，在钢铁材料表面形成多孔结构，孔径尺寸在1-50微米之间，表面孔隙率＞30％。
2.根据权利要求1所述之钢铁材料表面多孔化工艺方法，其特征在于，所述表面金属镀层可以通过化学镀或电镀的方法获得。
3.根据权利要求1所述之钢铁材料表面多孔化工艺方法，其特征在于，所述表面金属镀层可以是纯金属也可以是合金镀层。
4.根据权利要求1所述之钢铁材料表面多孔化工艺方法，其特征在于，所述表面金属镀层可以为一层也可以为多层结构。
5.根据权利要求1所述之钢铁材料表面多孔化工艺方法，其特征在于，所述表面金属可为Ni、Cu、Cr中的一种或多种。
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