CN103042759A

CN103042759A - 一种沉淀硬化不锈钢表面的类三明治结构强化涂层

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Publication number: CN103042759A
Application number: CN2012103663341A
Authority: CN
Inventors: 王维夫
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: CN103042759B

Abstract

本发明公开了一种沉淀硬化不锈钢表面的“类三明治结构”强化涂层，所述强化涂层包括表面高硬层、功能性软化层和基底硬化层，具有“硬－软－硬”的“类三明治”夹心结构特征，所述表面高硬层厚度在10~80μm，所述功能性软化层厚度在1μm~100μm，所述基底硬化层厚度在10μm~6mm；所述的基底硬化层与沉淀硬化不锈钢基体结合。本发明的“类三明治结构”强化涂层在提高沉淀硬化不锈钢表面硬度的同时能够兼顾较厚的强化层厚度，从而有利于长期稳定工作。

Description

一种沉淀硬化不锈钢表面的类三明治结构强化涂层

（一）技术领域

本发明属于沉淀硬化不锈钢表面的强化处理技术，具体涉及一种沉淀硬化不锈钢表面的具有类似“三明治”结构的激光复合强化涂层。

（二）背景技术

沉淀硬化不锈钢目前多用于制作轴类、叶片以及各类泵阀等过流部件。以17-4PH为代表的沉淀硬化不锈钢制造的零部件目前公认的有效强化手段为整体固溶+时效处理，使用中一般是通过固溶处理后产生马氏体相变，再经过时效处理，在马氏体基体上沉淀析出细小、弥散分布的ε-Cu和M₂₃C₆等强化相来提高其性能，其优点是能够获得大厚度的强化表面。但整体固溶由于对工件的整体加热保温，势必造成工件的整体或局部变形，影响零部件的尺寸精度。因此人们尝试开展了大量的表面直接强化/硬化研究，包括渗碳、渗氮、渗金属、表面喷涂或堆焊硬质涂层等技术。这类表面直接制备一层强化层的方法通常对表面耐磨强化有非常好的效果，但一般存在强化层厚度薄，或与基体结合力较差以及在冲击性载荷作用下易脱落等问题，从而极大地影响相关设备运转的稳定性及安全性。

如何能避免上述问题呢？传统的表面高硬度强化层通常较薄，尽管短期强化效果较好，但下方通常为基体，没有冲击应力缓冲区，因此在高强度冲击性载荷作用下极易发生强化层破坏、脱落，进而导致基体裸露至侵蚀表面，从而加速破坏，而且较薄的表面强化层也不利于获得设备长期运转的稳定性及安全性。因此目前工业上急需一种既能够发挥表面高硬度强化层高强度特性，又能够兼顾长期稳定工作的沉淀硬化钢表面强化技术。

（三）发明内容

本发明的目的是提供一种沉淀硬化不锈钢表面的“类三明治结构”复合涂层，在提高沉淀硬化不锈钢表面硬度的同时能够兼顾较厚的强化层厚度，从而有利于长期稳定工作。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种沉淀硬化不锈钢表面的“类三明治结构”强化涂层，所述强化涂层包括表面高硬层、功能性软化层和基底硬化层，具有“硬－软－硬”的“类三明治”夹心结构特征，所述表面高硬层厚度在10~80μm，所述功能性软化层厚度在1μm~100μm，所述基底硬化层厚度在10μm~6mm；所述的基底硬化层与沉淀硬化不锈钢基体结合；

所述沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层的制备方法包括如下步骤：

（1）对沉淀硬化不锈钢表面待处理区域进行表面清洁处理；

（2）在步骤（1）处理后的沉淀硬化不锈钢表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，根据表面几何构形进行激光辐照，在激光作用过程中采用保护性气氛对激光作用区进行保护，随后对激光作用区进行热处理，热处理温度为300~690℃，保温时间为15min~6小时，然后在空气中冷却，从而在沉淀硬化不锈钢表面获得强化涂层；所述特殊增强材料粉末是下列三类物质混和得到的混和粉末：①单质或合金、②金属氧化物、③碳化物和/或硼化物和/或氮化物，所述的单质选自下列一种或者任意几种的组合：Ti、W、Co、Cr、Ni、Mo、Fe、Si、B，所述的合金选自下列任意两种以上金属形成的合金：Ti、W、Co、Cr、Ni、Mo、Fe，所述的金属氧化物为对红外激光及可见光波段激光具有良好吸收效果的金属氧化物，所述的碳化物或硼化物或氮化物为在500~4000℃能够参加熔池反应并提供B和/或C和/或N元素的化合物，或者所述的碳化物或硼化物或氮化物分别为可作为增强相的金属碳化物或金属硼化物或金属氮化物；以特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物质量为100%计，其中单质或合金的质量百分比在2~95％之间，金属氧化物的质量百分比在0.1~80%之间，碳化物和/或硼化物和/或氮化物的质量百分比在0.1~80%之间，并且粘结剂的质量百分比≦80%。

本发明中，具有“硬－软－硬”的“类三明治”夹心结构特征的复合涂层是在激光处理过程中一次性扫描获得，其中表面高硬层是通过激光在基体表面直接作用而获得，激光在基体表面作用过程中作用区域表面可以发生熔化或微熔，增强材料进入形成高硬层，厚度根据处理工艺参数的不同介于10~80μm之间；功能性软化层位于表面高硬层和基底硬化层之间，是通过激光作用过程中表面下方形成过热高温区而在激光表面处理过程中同步获得，其厚度根据处理工艺参数的不同介于1μm~100μm之间，且其与表面高硬层和与基底硬化层之间的硬度过渡可以是梯度过渡或非梯度的阶跃式过渡；基底硬化层位于功能性软化层与沉淀硬化不锈钢基体之间，其是利用了沉淀硬化钢在800~1200℃温区具有固溶强化的特性形成，其厚度根据处理工艺参数的不同介于10μm~6mm之间，且其与功能性软化层和与沉淀硬化不锈钢基体之间的硬度过渡可以是梯度过渡或非梯度的阶跃式过渡。

下面对技术方案做具体说明。

本发明步骤（1）中，所述的表面清洁处理即为常规的除油、除锈等清洁处理。

本发明步骤（2）中预置的材料为特殊增强材料粉末和粘结剂，所述特殊增强材料粉末中,单质或合金主要起强化作用。金属氧化物为对红外激光及可见光波段激光具有良好吸收效果的金属氧化物，主要起吸光作用，可选自下列一种或任意几种的组合：Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、MgO₂、稀土氧化物，所述的稀土氧化物可以是Y₂O₃、Ce₂O₃、市售的混和稀土氧化物等，优选所述金属氧化物为Al₂O₃和TiO₂的混合物，更优选Al₂O₃和TiO₂的混合物中两者质量比例为1：0.5~3。碳化物和/或硼化物和/或氮化物也起强化作用，其中碳化物可以是WC、TiC、Cr₃C₂等；硼化物可以是BN、TiB、TiB₂等；氮化物可以是TiN等。本发明预置的材料中加入粘结剂可以提高特殊增强材料粉末的附着能力，粘结剂可选自下列一种或任意几种的组合：胶水、纤维素或环氧树脂等。

本发明步骤（2）预置的特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，以特殊增强材料粉末和粘结剂的总质量为100%计，优选其中单质或合金的质量百分比为5~30％，金属氧化物的质量百分比为20~60％，碳化物或硼化物或氮化物的质量百分比为10~50％，粘结剂的质量百分比为10~50％。更优选单质或合金的质量百分比为5~21％，金属氧化物的质量百分比为20~40％，碳化物或硼化物或氮化物的质量百分比为15~45％，粘结剂的质量百分比为16~30％。

本发明在表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂后，根据表面几何构形选择一定经整形后的光束进行激光处理，所述的经整形后的光束为矩形光斑、圆形光斑或环形光斑光束。采用矩形光斑时，焦点处光斑尺寸（长×宽）在5mm×0.2mm~60mm×20mm之间；采用圆形光斑时，焦点处光斑直径在0.5mm~60mm之间；采用环形光斑时，焦点处光斑内直径不小于0.5mm，外直径不大于60mm。所述的激光处理的工艺参数推荐如下：

采用激光连续辐照时，激光功率≥300W，激光功率密度≥10⁴W/cm²，扫描速度≥0.01m/min，多道扫描时搭接量5~90％；进一步，优选激光功率500~2000W，激光功率密度10⁴~10⁶W/cm²，扫描速度0.05~0.8m/min，多道扫描时搭接量5~20％；

采用激光脉冲辐照时，脉冲能量≥5J，脉冲频率≥1Hz，脉宽0.2ms~200ms，多道扫描时搭接量5~90％；进一步，优选脉冲能量5~10J，脉冲频率1~20Hz，脉宽1~20ms，多道扫描时搭接量5~20％。

本发明激光处理过程中的保护性气氛推荐为惰性气体气氛，如氩气、氦气等。

本发明所述的复合涂层，可以只包含一个“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构，也可以包含多个“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构。本发明可以通过如下步骤形成包含多个“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构的复合涂层：在上述步骤（2）获得的强化涂层表面通过激光熔覆或电子束沉积或堆焊的方式制备一层与沉淀硬化不锈钢基底相同材料的基底层，然后在其上重复步骤（1）和步骤（2）的操作，从而在沉淀硬化不锈钢表面形成包含多个“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构的强化涂层。本领域技术人员可根据实际需要设定合理的制备步骤制备包含所需要个数的“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构的强化涂层。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1．本发明的“硬－软－硬”的“类三明治”夹心结构的强化涂层能提高沉淀硬化不锈钢表面硬度，而且强化层厚度较厚，从而有利于长期稳定工作。

2．多层类“三明治”复合结构各复合层可以在激光处理过程中一次性扫描获得，工艺简单，可靠性好，易于获得；

3．不需要复杂保护，仅在大气条件下采用Ar、He等惰性气体进行局部保护即可获得高质量复合结构多层强化层；

4．通过变化不同工艺参数与表面施涂材料，可以获得不同表面硬度与综合性能的夹心结构来适应不同的表面强化应用领域，适用面广。

（四）附图说明

图1为本发明类“三明治”复合结构示意图，其中：a表面高硬层，b功能性软化层，c基底硬化层，d基体。

图2为实施例1制得的强化涂层在距涂层外表面不同距离处的硬度示意图。

图3为实施例2制得的强化涂层在距涂层外表面不同距离处的硬度示意图。

（五）具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例中选用的沉淀硬化不锈钢牌号为17-4PH，首先进行除油、除锈等表面清理，然后将待加工表面预磨至600#砂纸，清洗并烘干。

实施例1：

1.强化表面预涂专用增强材料，成分为：混和金属氧化物（Al₂O₃：TiO₂＝1：3）40％、WC15％、Co9％、Cr9％，Ni3％，其余为粘结剂（502胶水：E-44型环氧树脂=3:1）。

2.激光处理，激光功率1200W，光斑尺寸12×1mm，扫描速度0.3m/min，搭接量10％，采用Ar气对激光辐照区域进行保护。

3.辅助热处理：热处理温度为450℃，保温时间为3小时，空冷。

如图2所示，工件表面3mm范围内可获得具有“硬－软－硬”3层的类“三明治”夹心结构复合强化层，其中表面最大硬度大于590HV，基底硬化层硬度在350~500HV之间并呈梯度下降趋势，复合强化层总强化深度大于1.2mm。

实施例2：

1.强化表面预涂专用增强材料，成分为：混和金属氧化物（Al₂O₃：TiO₂＝1：3）26.7％、VC33％、WC10％、Co6％、Cr6％，Ni2％，其余为粘结剂（502胶水：环氧树脂=3:1）。

2.激光处理，激光功率2100W，光斑尺寸9×1mm，扫描速度500mm/min，搭接量10％，采用Ar气对激光辐照区域进行保护。

如图3所示，工件表面3mm范围内可获得具有“硬－软－硬”3层的类“三明治”夹心结构复合强化层，其中表面最大硬度大于650HV，基底硬化层硬度在350~500HV之间并呈梯度下降趋势，复合强化层总强化深度大于0.8mm。

Claims

1.一种沉淀硬化不锈钢表面的“类三明治结构”强化涂层，其特征在于：所述强化涂层包括表面高硬层、功能性软化层和基底硬化层，具有“硬－软－硬”的“类三明治”夹心结构特征，所述表面高硬层厚度在10~80μm，所述功能性软化层厚度在1μm~100μm，所述基底硬化层厚度在10μm~6mm；所述的基底硬化层与沉淀硬化不锈钢基体结合；

（1）对沉淀硬化不锈钢表面待处理区域进行表面清洁处理；

2.如权利要求1所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：以特殊增强材料粉末和粘结剂的总质量为100%计，其中单质或合金的质量百分比为5~30％，金属氧化物的质量百分比为20~60％，碳化物和/或硼化物和/或氮化物的质量百分比为10~50％，粘结剂的质量百分比为10~50％。

3.如权利要求2所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：以特殊增强材料粉末和粘结剂的总质量为100%计，其中单质或合金的质量百分比为5~21％，金属氧化物的质量百分比为20~40％，碳化物或硼化物或氮化物的质量百分比为15~45％，粘结剂的质量百分比为16~30％。

4.如权利要求1~3之一所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：所述的金属氧化物选自下列一种或任意几种的组合：Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、MgO₂、稀土氧化物。

5.如权利要求1~3之一所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：所述的碳化物选自下列一种或任意几种的组合：WC、TiC、Cr₃C₂；所述的硼化物选自下列一种或任意几种的组合：BN、TiB、TiB₂；所述的氮化物为TiN。

6.如权利要求1~3之一所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：所述的粘结剂为胶水、纤维素或环氧树脂。

7.如权利要求1~3之一所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：根据表面几何构形选择一定经整形后的光束进行激光处理，所述的经整形后的光束为矩形光斑、圆形光斑或环形光斑光束；采用矩形光斑时，焦点处光斑尺寸在5mm×0.2mm~60mm×20mm之间；采用圆形光斑时，焦点处光斑直径在0.5mm~60mm之间；采用环形光斑时，焦点处光斑内直径不小于0.5mm，外直径不大于60mm。

8.如权利要求7所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：所述的激光处理的工艺参数如下：采用激光连续辐照，激光功率≥300W，激光功率密度≥10⁴W/cm²，扫描速度≥0.01m/min，多道扫描时搭接量5~90％；或者采用激光脉冲辐照，脉冲能量≥5J，脉冲频率≥1Hz，脉宽0.2ms~200ms，多道扫描时搭接量5~90％。

9.如权利要求8所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：所述的激光处理的工艺参数如下：采用激光连续辐照，激光功率500~2000W，激光功率密度10⁴~10⁶W/cm²，扫描速度0.05~0.8m/min，多道扫描时搭接量5~20％；或者采用激光脉冲辐照，脉冲能量5~20J，脉冲频率1~20Hz，脉宽1~20ms，多道扫描时搭接量5~20％。

10.如权利要求1~3之一所述的沉淀硬化不锈钢表面的强化涂层，其特征在于：所述的强化涂层包含多个“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构，所述的制备方法还包括如下步骤：在步骤（2）获得的强化涂层表面通过激光熔覆或电子束沉积或堆焊的方式制备一层与沉淀硬化不锈钢基底相同材料的基底层，然后在其上重复步骤（1）和步骤（2）的操作，从而在沉淀硬化不锈钢表面形成包含多个“硬－软－硬”的类“三明治”夹心结构的强化涂层。