CN102605379A - 一种超细/纳米晶梯度涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，首先利用电子束对基体材料表面进行改性，形成改性层；对改性层表面利用物理气相沉积技术制备打底过度涂层，打底过度涂层的硬度大于改性层；对打底过度涂层利用物理气相沉积技术制备得到高硬度涂层，高硬度涂层的硬度大于打底过度涂层；利用电子束改性技术对产品表面再进行照射，促进涂层间元素扩散，使打底过度涂层与改性层以及打底过度涂层与高硬度涂层间的机械结合转化为冶金结合。本发明能够优化零件的表面硬度梯度分布并提高零件表面硬度，能提高金属零件的耐磨性，涂层硬度分布合理、结合力强、表面应力状况优良。

Description

一种超细/纳米晶梯度涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及对金属零件和材料的表面超细/纳米晶梯度涂层制备方法，主要用于金属类零件和材料表面的强化和镀膜，属于金属表面技术领域。
 
背景技术
随着现代工业的迅速发展，要求机械工业产品能在高温、高压、高速、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转，对零件表面的耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能要求日益苛刻。这就要求改善材料的表面性能,有效地延长用寿命,节约资源,提高生产率。迅速发展的精密化、微型化、复合化的制造技术既推动着表面工程学科的发展，带来复合表面工程、纳米表面工程、超硬涂层表面工程技术在制造业中的广泛应用。
国内外表面工程技术主要包括：
（1）涂层制备技术
通过在零件制备TiN涂层、WC涂层、类金刚石薄膜(DLC)等高硬度涂层，能够提高齿面硬度、改善耐磨性，但也存在以下不足：涂层制备工艺易导致齿轮表层组织回火而影响组织稳定性，单层涂层系统的硬度梯度过渡急剧，涂层与基体的结合力有待提高。针对上述问题国内外开展了齿面多层涂层和复合处理改性研究，如多层MoS2/Ti和TiN+离子氮化复合处理等。MoS2/Ti的硬度>1000HV，摩擦系数降低至0.04，能够改善抗胶合性能和传动效率，但耐磨性下降。现有的涂层技术对提高零件硬度、改善耐磨性均有一定效果，但涂层与齿面的结合问题始终没有得到根本解决，也直接影响该技术的应用。
（2）材料表面高能束改性技术
利用电子束等高能束进行金属材料表面精整加工和改性得到了迅速发展，高能量密度的电子束能迅速加热材料表面以至产生熔化、汽化，同时由热膨胀引起的动态应力也会在整个材料中产生强烈作用，从而使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学及力学性能。相比于表面热处理工艺，电子束工艺具有材料变形小、效率高（几秒钟内完成）、表面层质量纯净、易于获得超细晶或纳米晶。但存在材料表面硬度达不到涂层的高硬度，并产生残余拉应力的不足之处。
（3）材料表面合金化技术
在材料表面预涂覆合金元素，利用能量束将能量瞬间沉积在材料次表层很小的区域内，从而使材料极快速地升温到相变温度或熔化温度以上，实现合金化的过程。但合金化工艺也达不到硬质涂层所达到的硬度，并在零件表面存在残余拉应力。
综合以上国内外研究现状发现，当前零件表面单一工艺的强化和改性技术往往达不到硬度分布合理、结合力强、表面应力状况优良的综合效果。
 
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种硬度分布合理、结合力强、表面应力状况优良的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其步骤为：
1）首先利用电子束对基体材料表面进行表面性能和表面形貌的改善，形成比基体硬度高的改性层；
2)对步骤1）形成的改性层表面利用物理气相沉积技术制备和基体相容性较好的单元素打底过度涂层，打底过度涂层厚度为1-30um，打底过度涂层的硬度大于改性层；
3）对步骤2）形成的打底过度涂层利用物理气相沉积技术制备得到高硬度涂层，高硬度涂层厚度为1-500um，高硬度涂层的硬度大于打底过度涂层；
4）利用电子束改性技术对步骤3）得到的产品表面再进行照射，促进涂层间元素扩散，使打底过度涂层与改性层以及打底过度涂层与高硬度涂层间的机械结合转化为冶金结合。
所述第1）步电子束工艺能量密度1-30J/cm2，在距离基体表面5mm内晶粒细化达到超细晶。
所述第2）步打底过度涂层为纯Cr层，Cr层厚度为3um，第3）步高硬度涂层为CrN层，CrN层厚度为5um。第1）步电子束工艺参数为：加速电压27KV,照射次数25次，照射距离80mm；第4）步电子束工艺参数为：加速电压30KV,照射次数20次，照射距离80mm。
所述第2）步打底过度涂层为纯Ti层， Ti层厚度为5um，第3）步高硬度涂层为TiN层，TiN层厚度为20um。第1）步电子束工艺参数为：加速电压25KV,照射次数20次，照射距离120mm；第4）步电子束工艺参数为：加速电压27KV,照射次数10次，照射距离100mm。
本发明产生以下积极效果：
1.获得金属零件表层产生晶粒细小均匀的超细晶/纳米晶组织，可提高强度、韧性。
2.能够优化零件的表面硬度梯度分布并提高零件表面硬度，能提高金属零件的耐磨性。
3.电子束产生的大量熔坑能够增加与梯度涂层结合面积，提高涂层与基体的机械结合；调整电子束工艺参数对表面进行再照射促进涂层与超细晶间元素扩散，促进机械结合转化为冶金结合，进一步改善结合力。
4.通过两种工艺技术的结合，使涂层表面形成压应力，改善涂层表面残余应力，材料的参与拉应力将会引起表面裂纹的萌生。
 
附图说明
图1-金属基体截面示意图。
图2-第一步完成后工件的截面示意图。
图3-第二步完成后工件的截面示意图。
图4-第三步完成后工件的截面示意图。
 
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种对金属零件和材料的表面超细/纳米晶梯度涂层方法，它是在结合电子束表面改性技术、梯度涂层技术和物理气相沉积技术基础上产生的表面涂层工艺。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明具体实现步骤如下：
1)图1为金属材料或者零件基体截面状况。首先利用电子束对材料表面进行表面性能和表面形貌的改善，形成大量熔坑，并利用电子束的净化作用将零件表面清洁，使零件表面5mm内晶粒细化达到超细甚至纳米晶，距离表层1mm左右硬度得到提高，形成比基体硬度较高的改性层，为零件表面涂层制备做准备。电子束工艺的具体特征：能量密度1-30J/cm2，比如俄罗斯产的“RITM-2M”、“Nadezhda-2”或类似设备。电子束改性后零件的截面示意如图2所示。
2)对步骤1）处理过的零件表面利用物理气相沉积技术制备和基体相容性较好的单元素打底过度涂层，打底过度涂层的硬度大于改性层。气相沉积技术可以是当前常用的真空磁控溅射或者离子镀设备，镀膜厚度1-30um。步骤2）完成以后工件的截面示意如图3所示。
3）对步骤2）制作过的零件涂层利用物理气相沉积技术制备高硬度涂层，高硬度涂层的硬度大于打底过度涂层。物理气相沉积技术可以是当前常用的真空磁控溅射或者离子镀设备，镀膜厚度1-500um。步骤3）完成以后工件的截面示意如图4所示。
4）对步骤3）制作完成的零件涂层，利用步骤1）提到的电子束技术，调整工艺参数进行再照射，促进涂层间元素扩散，使打底过度涂层与改性层以及打底过度涂层与高硬度涂层间的机械结合转化为冶金结合,进一步改善结合力。
本发明实施例1：
将40Cr齿轮利用RITM-2M电子束设备进行表面改性（加速电压27KV,照射次数25次，照射距离80mm）；基体硬度280-330Hv，电子束层硬度最高可到585Hv；利用FJL560A型超高真空磁控溅射设备在齿轮表面涂镀3um的纯Cr；然后利用TX-4B多弧和磁控溅射多功能离子镀设备对齿轮表面涂镀5um的CrN；硬度达到1500-2000Hv，利用RITM-2M电子束设备对涂层的齿轮进行重新照射（加速电压30KV,照射次数20次，照射距离80mm）。残余应力为2.8-4.2Gpa，结合强度达到50N-100N。
本发明实施例2：
将3Cr2W8V齿轮利用RITM-2M电子束设备进行表面改性（加速电压25KV,照射次数20次，照射距离120mm）；基体硬度280-330Hv，电子束层硬度最高可到585Hv；利用FJL560A型超高真空磁控溅射设备在齿轮表面涂镀5um的纯Ti；然后利用TX-4B多弧和磁控溅射多功能离子镀设备对齿轮表面涂镀20um的TiN；TiN硬度达到1800-2500Hv，利用RITM-2M电子束设备对涂层的齿轮进行重新照射（加速电压27KV,照射次数10次，照射距离100mm）。残余应力为2.8-4.2Gpa，结合强度达到50N-100N。

Claims (8)

1. 一种超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：其步骤为：
1）首先利用电子束对基体材料表面进行表面性能和表面形貌的改善，形成比基体硬度高的改性层；
2)对步骤1）形成的改性层表面利用物理气相沉积技术制备和基体相容性较好的单元素打底过度涂层，打底过度涂层厚度为1-30um，打底过度涂层的硬度大于改性层；
3）对步骤2）形成的打底过度涂层利用物理气相沉积技术制备得到高硬度涂层，高硬度涂层厚度为1-500um，高硬度涂层的硬度大于打底过度涂层；
4）利用电子束改性技术对步骤3）得到的产品表面再进行照射，促进涂层间元素扩散，使打底过度涂层与改性层以及打底过度涂层与高硬度涂层间的机械结合转化为冶金结合。
2.根据权利要求1所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述第1）步电子束工艺能量密度1-30J/cm2，在距离基体表面5mm内晶粒细化达到超细晶。
3.根据权利要求1或2所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述第2）步打底过度涂层为纯Cr层，第3）步高硬度涂层为CrN层。
4.根据权利要求3所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述Cr层厚度为3um，CrN层厚度为5um。
5.根据权利要求4所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：第1）步电子束工艺参数为：加速电压27KV,照射次数25次，照射距离80mm；第4）步电子束工艺参数为：加速电压30KV,照射次数20次，照射距离80mm。
6.根据权利要求1或2所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述第2）步打底过度涂层为纯Ti层，第3）步高硬度涂层为TiN层。
7.根据权利要求6所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述Ti层厚度为5um，TiN层厚度为20um。
8.根据权利要求7所述的超细/纳米晶梯度涂层的制备方法，其特征在于：第1）步电子束工艺参数为：加速电压25KV,照射次数20次，照射距离120mm；第4）步电子束工艺参数为：加速电压27KV,照射次数10次，照射距离100mm。
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