CN103397294B - 一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法 - Google Patents

一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法，本制备碳化铬涂层的方法为：将碳钢基体待涂层表面抛光，并在无水乙醇中超声波清洗后干燥，干燥温度为50-150℃，干燥时间为0.5-1小时，即得一种待加工的碳钢原件；选用一种不锈钢容器，该不锈钢容器分为内层不锈钢容器和外层不锈钢容器，其中内层不锈钢容器中装入粒度为80-300目的铬粉体和适量碘粉混合粉体，其中碘粉在混合粉体中所占重量比例为0.5-1.5％。本发明采用密闭系统下在碳钢基体表面化学气相反应原位形成碳化铬反应扩散涂层，形成的涂层致密光滑均匀，涂层与基体结合良好，无需复杂的真空或气氛炉实现高温下避免碳钢基体的氧化。

Description

一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法
技术领域
本发明涉及领域电镀工艺领域，具体涉及一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法。
背景技术
碳化铬包括Cr3C2，Cr7C3和Cr26C3等不同晶体结构，具有高硬度，且硬度随铬含量增加而增加，其Vickers显微硬度在14-24GPa之间可变；热膨胀系数与钢材接近；模量随组成变化变化，如CrxC，当x＝0.2-0.8时，其模量在154-452GPa变化，与其他高硬度陶瓷相比，与钢材模量更为接近；高温稳定性好，且具有良好的高温抗氧化/腐蚀性；而且碳化铬耐磨涂层的摩擦系数随涂层中碳/铬比不同而变化。已用作刀具、模具及叶片表面的耐磨涂层。
碳钢表面碳化铬涂层的制备方法有物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、激光熔覆及传统热扩散法等。
磁控溅射为代表的气相沉积技术研究最多，已在工业领域获得应用，但气相沉积涂层设备复杂、价格高昂、参数控制难度大。热喷涂适应性非常广泛，但为了提高碳化铬涂层及其与基底的结合，往往需要引入NiCr等较软的物相作为粘结剂而降低碳化铬涂层的硬度和耐磨性；而且热喷涂和自蔓延燃烧合成涂层通常含有孔隙，表面较粗糙，需要进一步的表面加工。激光熔覆作为新型的表面处理技术，具有独特优势，可以制备出单一晶形的碳化铬涂层和纳米涂层，但和物理气相沉积、热喷涂一样，激光熔敷等方法难以实现在复杂性状构件，如钻头、斜齿轮、蜗杆、球面、螺杆曲面等表面制备均匀的涂层。此外，热喷涂、气相沉积、激光熔覆等工艺制备的涂层与基材之间通常存在明显界面，界面两侧材料组成与性能突变，涂层残余内应力大，在受载或温度突变，甚至制备时容易导致涂层破裂脱落。以盐浴法为代表的传统热扩散法需要专门的盐浴设备，所用盐浴存在较为严重的腐蚀，此外对复杂内腔表面残盐的清理非常困难，特别粗糙度要求高的耐磨表面适用性受限。
如发明专利“精密零件表面铬基合金碳化物覆层处理方法”(申请号CN200710151623.9，公开号CN101182644A，公开日2008年5月21日)中叙及的碳钢表面碳化铬涂层制备，该专利的方法首先对碳钢零件进行高温补碳处理，使表面富碳，然后将零件与渗铬剂装入炉胆后，分段加热进行高温处理，从而获得铬基合金碳化物涂层。但该专利未述及制备的铬基合金碳化物物相组成；而且涉及的碳化物形成过程需要分段加热实现，对炉温控制要求较高，也未叙及是否使用普通高温炉实现。
发明内容
本发明目的是提供一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法，它能有效地解决背景技术中所存在的问题。
本制备碳化铬涂层的方法为：
1.将碳钢基体待涂层表面抛光，并在无水乙醇中超声波清洗后干燥，干燥温度为50-150℃，干燥时间为0.5-1小时，即得一种待加工的碳钢原件。
2.选用一种不锈钢容器，该不锈钢容器分为内层不锈钢容器和外层不锈钢容器，其中内层不锈钢容器中装入粒度为80-300目的铬粉体和适量碘粉混合粉体，其中碘粉在混合粉体中所占重量比例为0.5-1.5％，混合粉体厚度约为1-1.5mm，其平摊面积略大于碳钢原件待涂层面的投影面。
3.在盛有混合粉体的内层不锈钢容器中，放入不锈钢支架，然后将碳钢原件放置在不锈钢支架上并密闭内层不锈钢容器；
4.在外层不锈钢容器器中放入适量铬或钛的粉体或颗粒，粉体用量约为内层不锈钢容器中混合粉体重量的10-30％，并密闭容器。
5.将不锈钢容器器放置于高温炉中恒温处理，处理温度为800-1100℃，处理时间为1-6小时。
所述所用铬或钛粉末的粒径为60-150目，颗粒的粒径为0.5-5mm。
所述的高温炉为普通电阻炉或气氛炉中的一种。
所述双层不锈钢容器的铬含量为15％-65％。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
(1)采用密闭系统下在碳钢基体表面化学气相反应原位形成碳化铬反应扩散涂层，形成的涂层致密光滑均匀，涂层与基体结合良好。
(2)无需复杂的真空或气氛炉实现高温下避免碳钢基体的氧化。
(3)可以采用本方法获得的涂层组成由Cr3C2，Cr7C3和Cr26C3等晶形组成。
(4)由于化学气相反应，本方法适合复杂形状碳钢构件表面碳化铬涂层的制备。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法：
1.将碳钢基体待涂层表面抛光，并在无水乙醇中超声波清洗后干燥，干燥温度为50-150℃，干燥时间为0.5-1小时，即得一种待加工的碳钢原件。
2.选用一种不锈钢容器，该不锈钢容器分为内层不锈钢容器和外层不锈钢容器，其中内层不锈钢容器中装入粒度为80-300目的铬粉体和适量碘粉混合粉体，其中碘粉在混合粉体中所占重量比例为0.5-1.5％，混合粉体厚度约为1-1.5mm，其平摊面积略大于碳钢原件待涂层面的投影面。
3.在盛有混合粉体的内层不锈钢容器中，放入不锈钢支架，然后将碳钢原件放置在不锈钢支架上并密闭内层不锈钢容器；
4.在外层不锈钢容器器中放入适量铬或钛的粉体或颗粒，粉体用量约为内层不锈钢容器中混合粉体重量的10-30％，并密闭容器。
5.将不锈钢容器器放置于高温炉中恒温处理，处理温度为800-1100℃，处理时间为1-6小时。
所述所用铬或钛粉末的粒径为60-150目，颗粒的粒径为0.5-5mm。
所述的高温炉为普通电阻炉或气氛炉中的一种。
所述双层不锈钢容器的铬含量为15％-65％。
本具体实施方式通过密闭系统中高温下气态铬与碳钢基体中的碳反应形成碳化铬；利用不锈钢容器自身含有的铬高温下与环境中的氧发生反应消耗阻碍氧原子向容器内的扩散而允许氮原子的向内扩散，并进一步利用外层不锈钢容器中的铬或钛的粉体或颗粒，消耗少量通过容器壁进入的氧，保证了不利用真空装置或气氛保护实现基体不受氧化，简化了设备与工艺流程、节约了成本。通过本发明的方法原位反应扩散形成的涂层致密光滑均匀，成分具有梯度分布。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法，其特征在于，本制备碳化铬涂层的方法为：
(1)将碳钢基体待涂层表面抛光，并在无水乙醇中超声波清洗后干燥，干燥温度为50-150℃，干燥时间为0.5-1小时，即得一种待加工的碳钢原件；
(2)选用一种不锈钢容器，该不锈钢容器分为内层不锈钢容器和外层不锈钢容器，其中内层不锈钢容器中装入粒度为80-300目的铬粉体和适量碘粉混合粉体，其中碘粉在混合粉体中所占重量比例为0.5-1.5％，混合粉体厚度为1-1.5mm，其平摊面积略大于碳钢原件待涂层面的投影面；
(3)在盛有混合粉体的内层不锈钢容器中，放入不锈钢支架，然后将碳钢原件放置在不锈钢支架上并密闭内层不锈钢容器；
(4)在外层不锈钢容器中放入适量铬或钛的粉体或颗粒，粉体用量为内层不锈钢容器中混合粉体重量的10-30％，并密闭容器；
(5)将不锈钢容器放置于高温炉中恒温处理，处理温度为800-1100℃，处理时间为1-6小时，所述所用铬或钛粉末的粒径为60-150目，颗粒的粒径为0.5-5mm。
2.根据权利要求1所述的一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法，其特征在于，所述的高温炉为普通电阻炉或气氛炉中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种碳钢基体表面化学气相反应法制备碳化铬涂层的方法，其特征在于，所述不锈钢容器的铬含量为15％-65％。
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