CN102560487A

CN102560487A - 一种铸铁件及其表面复合处理方法

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Publication number: CN102560487A
Application number: CN2012100161983A
Authority: CN
Inventors: 李凡巧; 周丹华; 张碧云; 于磊
Original assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种铸铁零件及其表面复合处理方法。目的是提供的铸铁件应具有较高的表面硬度的特点；提供的方法应能提高铸铁的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。技术方案是：一种铸铁件，包括铸铁基体，其特征在于，在基体表面由内而外依次包覆着厚度为2~310um的用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理的预处理层、厚度为5~30um的硬质耐磨层以及厚度为2.5~8um的固体润滑减摩层。一种铸铁件的表面复合处理方法，依次包括以下步骤：1）表面清洁；2）制作预处理层；3）制作硬质耐磨层；4）制作固体润滑减摩层。

Description

一种铸铁件及其表面复合处理方法

技术领域

本发明涉及一种铸铁零件及其表面复合处理方法。

背景技术

铸铁是一种常规金属材料，广泛用于制作各类设备机架、支架及滑动轴承座，但因硬度低，耐磨性差，耐蚀性差(常规的铸铁件的硬度为470～530HV，摩擦系数为0.4～0.6，比磨损率为1～8×10^-15)，使其应用受到较大限制；而铸铁中的石墨又会吸附很多气体，导致所有涉及真空的处理工艺都不适于在铸铁上应用，致使铸铁的表面处理受到很大局限。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种铸铁件的改进，该铸铁件应具有较高的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。

本发明的另一目的是提供一种铸铁件的表面复合处理方法，该方法应能有效地对铸铁件进行真空表面处理，以提高铸铁的表面硬度、耐磨性和耐蚀性；并且工序简单，操作方便。

本发明提供的技术方案是：

一种铸铁件，包括铸铁基体，其特征在于，在基体表面由内而外依次包覆着厚度为2～310um的用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理的预处理层、厚度为5～30um的硬质耐磨层以及厚度为2.5～8um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基体深处至基体表面依次包覆厚度为25～300um的扩散层和厚度为0～10um的氮化白亮层；所述氮化白亮层中的氮原子的含量为5～40％。

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的金刚石粉或陶瓷改性粉，掺入比例为0～10％。

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为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Cr；CrN过渡层厚度为0.3～2um，氮原子与铬原子的比例为0～4.3∶1；CrMoN合金镀层厚度为3～30um，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为纯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0.3～1.5um，碳原子与Cr原子的比例是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。

一种铸铁件的表面复合处理方法，依次包括以下步骤：

1)表面清洁

铸铁件表面采用清洗溶剂进行超声波清洗；

2)制作预处理层

将清洗后的铸铁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

将制有预处理层的铸铁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铸铁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清洗，此后开启Cr靶制作纯Cr打底层，然后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9～11h。

所述步骤3)和步骤4)中，铸铁件放在可转动的试样架上。

本发明的有益效果是：由于所提供的铸铁件具有较高的表面硬度，较好的耐磨性能以及较强的耐蚀性(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)，还提高了铸铁件在恶劣环境下的使用寿命，进而大幅度扩展了应用范围，降低了制造成本。

本发明提供的铸铁件表面复合处理方法，有效解决了铸铁件不宜真空处理的行业惯例，使真空表面处理方法应用于铸铁件，处理后的铸铁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

图1为本发明所述铸铁件的表面镀层结构的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一步说明。

如图所示，该铸铁件中，在基体1表面由内而外依次包覆着厚度为2～310um的预处理层2、厚度为5～30um的硬质耐磨层3以及厚度为2.5～8um的固体润滑减摩层4；预处理层用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理。

所述的离子氮化层的扩散层中，氮含量从基体深处至基体表层越来越高。

所述CrN过渡层中，氮原子与铬原子的比例为0～4.3∶1，从预处理层表面垂直方向自内向外，是一个氮原子含量逐渐增多的过程。

所述的固体润滑减摩层的过渡层中，从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外Cr原子逐渐减少，碳原子逐渐增多。

本发明所述的对铸铁件表面的复合处理方法，通过闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备(外购设备)实现。

除特别注明之外，本文所述比例均为原子数量比。

实施例1

表面经1200#砂纸打磨过的滑动轴承座，用清洗溶剂(丙酮)进行超声波清洗20分钟，装于离子氮化炉工件夹具上；腔体抽真空至40Pa以下，通入纯度≥99.9％的氮气和氢气的混合气体(氮气和氢气的混合比例为1∶3～1∶6)，加电压400～800V，先进行打弧清理；待稳定后，逐步提高腔体气压，增大电流强度，使工件升温进行氮化扩散。腔体气压为200～600Pa，氮化的温度控制在500～520℃，保温时间10h。

将氮化好的工件放入非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室的旋转试样架上，氩气流量10sccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟。偏压-65V时沉积Cr打底层5min，Cr靶输入功率2kW；接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制CrN过渡层，时间60min，其它参数与制备Cr打底层一样；最后打开Mo靶，靶输入功率2kW，时间8小时，其它参数与上一步骤一样。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是5rpm。

工件冷却后取出，直接放入另一非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室的旋转试样架上，氩气流量10sccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟；偏压-60V时沉积打底层5min，Cr靶输入功率2kW。接着Cr靶的功率逐渐降低为0.5kw，石墨靶的功率逐渐升高至2kw，其它参数与制备Cr打底层一样，最后保持此参数沉积6小时。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是3rpm。

所得工件根据以下方式检测：

处理层的硬度用纳米压入仪测量，每一试样在不同位置测量6点取平均值。

处理层厚度分别用球坑仪和断面扫描电镜测定。

处理层耐磨性和摩擦系数用球盘磨损试验机测量，对磨材料为直径5mm的WC-6％Co硬质合金球，相对滑动速度200m/min，载荷20N，磨损时间30min。

用HT3001划痕仪定量测量镀层的结合强度，测试其膜基破坏临界载荷Lc，载荷从10N加到100N，滑动速度10mm/min。

用PARC(EG&G Princeton Applied Research Corp)公司的M2273电化学综合测试系统测量处理层的电化学腐蚀性能。

检测结果为：扩散层厚度为80um，氮化白亮层厚度为5um。硬质耐磨层厚度为27um；其中，Cr打底层厚度为0.3μm，CrN过渡层厚度为2.9μm，CrMoN合金镀层的总厚度为23.8μm。固体润滑减摩层的厚度是3.2um，硬度是1800HV，结合力Lc＞80N，摩擦系数为0.05～0.07，比磨损率为0.5×10^-16，开路电位(抗腐蚀指标)为-0.28V。

实施例2

铸铁活塞环(发动机活塞环)经化学除油→清洗→浸酸活化→冷水清洗→去离子水洗等之后，在电镀溶液中加入粒度为1um的陶瓷粉末并充分搅拌，其余按常规电镀操作进行电镀铬作业，温度58～60℃，时间15～18min，完成之后取出工件，清洗，烘干后置于真空镀层设备内的旋转试样架上，其它所有实施过程和参数同实施例1。

检测结果是：电镀铬层厚度为115μm，陶瓷粉掺入重量比例为5％(比例为检测结果)；硬质耐磨层厚度为27um，固体润滑减摩层的厚度是3.1um。硬度是1800HV，结合力Lc＞80N，摩擦系数为0.05～0.07，比磨损率为0.3×10^-16，开路电位为-0.18V。

实施例3

铸铁发动机活塞杆，按照实施例1流程制备完成硬质耐磨层，之后将工件放进非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室内，氩气流量10sccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟。偏压-65V时，Cr靶输入功率2kW，沉积打底层5min；接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制过渡层，时间60min，其它参数与制备打底层相同；然后开启射频电源，电源为800V，并慢慢通入纯度为99.9％的乙炔气体，其它参数与上一步骤相同。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是5rpm。

检测结果是：扩散层厚度为80um，氮化白亮层厚度为5um。硬质耐磨层厚度为27um，固体润滑减摩层的厚度是2.5um。硬度是2800HV，结合力Lc＝80N，摩擦系数为0.03～0.05，比磨损率为0.3×10^-16，开路电位为-0.10V。

Claims

1.一种铸铁件，包括铸铁基体，其特征在于，在基体表面由内而外依次包覆着厚度为2～310um的用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理的预处理层、厚度为5～30um的硬质耐磨层以及厚度为2.5～8um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；

所述的硬质耐磨层从预处理层表面垂直方向自内向外依次为Cr打底层、CrN过渡层、CrMoN合金镀层；

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为纯Cr打底层、过渡层、碳基固体润滑层。

2.根据权利要求1所述的一种铸铁件，其特征在于所述的硬质耐磨层中，Cr打底层厚度为0.2～2um，成分为Cr；CrN过渡层厚度为0.3～2um，氮原子与铬原子的比例为0～4.3∶1；CrMoN合金镀层厚度为3～30um，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％。

3.根据权利要求2所述的一种铸铁件，其特征在于所述的固体润滑减摩层中，纯Cr打底层厚度为0.2～2um，成分为Cr；过渡层厚度为0.3～1.5um，碳原子与Cr原子的比例是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。

4.根据权利要求2或3所述的一种铸铁件，其特征在于所述的离子氮化层包括从基体深处至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；所述氮化白亮层中的氮原子的含量为5～40％。

5.根据权利要求4所述的一种铸铁件，其特征在于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金刚石粉或改性陶瓷粉，掺入重量比例为0～10％。

6.一种铸铁件的表面复合处理方法，依次包括以下步骤：

1)表面清洁

铸铁件表面采用清洗溶剂进行超声波清洗；

2)制作预处理层

3)制作硬质耐磨层

4)制作固体润滑减摩层

7.根据权利要求5所述的一种铸铁件的表面复合处理方法，其特征在于所述氮化处理时，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9～11h。

8.根据权利要求6所述的一种铸铁件的表面复合处理方法，其特征在于所述步骤3)和步骤4)中，铸铁件放在可转动的试样架上。