CN103725858B - 一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，涉及材料表面处理技术。其主要步骤为：1)将金属材料钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；2)将预处理的钢表面进行激光喷丸处理；3)将激光喷丸处理的钢表面进行渗铬处理；4)将渗铬后的钢表面进行激光控制原位熔凝氧化处理，获得图案化的均匀氧化铬薄膜。本发明能够原位制得图案化的氧化铬薄膜，且氧化铬薄膜的均匀性好，界面结合强度高，性能优异，显著提高了钢的表面性能。本发明工艺过程简单，易操作，适应性强，适合于大规模批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料的表面处理技术领域，特指一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法。
背景技术
钢是一种重要的工程材料，其在现代工业中得到广泛应用。但是，由钢制成的许多零部件常因其表面磨损、腐蚀、高温氧化等而发生破坏，从而缩短了其在重载、强腐蚀介质、高温等条件下的使用寿命。因此，提高钢的表面性能显得尤为重要。
硬质或超硬薄膜能够有效提高材料表面性能，起到表面防护作用。常用的硬质薄膜有碳化物薄膜、氮化物薄膜、氧化物薄膜等，需根据不同的使用要求进行选择。氧化铬薄膜是氧化物硬质薄膜中的一种，其不仅具有高的硬度，而且具有优良的耐腐蚀和耐高温氧化性能，应用前景广阔。因此，氧化铬薄膜的制备引起了人们的广泛关注。目前，制备氧化铬薄膜的方法主要有溅射法、电弧离子镀、化学气相沉积、脉冲激光沉积、等离子喷涂等，这些方法都是在金属材料基体表面沉积一层氧化铬薄膜，但是，作为陶瓷材料的氧化铬薄膜与金属材料基体的物理化学性质差异较大，使得氧化铬薄膜内存在较大的应力，弱化了膜/基界面强度，在应用过程中容易出现薄膜脱落现象，这严重限制了其工程应用。除了陶瓷薄膜的制备技术外，陶瓷薄膜的表面图案化也日益得到关注，因为其能够更有效的提高陶瓷薄膜的耐磨性。陶瓷薄膜脆性比较大，这使得传统的表面图案化方法难以获得高质量的表面图案，从而严重影响其使用性能。因此，在陶瓷薄膜制备的过程中同时实现图案化将是解决现有方法存在问题的有效途径。
与本发明最接近的技术是不锈钢的激光熔凝氧化技术，该技术是借助激光辐照热效应熔化不锈钢表面，使其表面组织细化及易氧化的铬元素氧化形成氧化铬来改善材料表面性能的方法。该方法虽然能够有效改善不锈钢的耐磨和耐腐蚀性能，但是其不能获得连续均匀的表面氧化铬薄膜，不能充分发挥氧化铬薄膜的优异性能，而且其只适合处理高铬元素含量的不锈钢，具有明显的局限性。
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，采用激光喷丸、渗铬与激光控制原位熔凝氧化相结合的光化学方法处理金属材料钢表面，通过激光喷丸改善钢表面的微观组织结构，加速渗铬过程中铬原子的扩散，增加渗铬层厚度，获得厚的渗铬层，再通过激光控制原位熔凝氧化方法控制熔凝渗铬层，使铬元素在熔凝过程中发生原位氧化，凝固生长后获得图案化的均匀氧化铬薄膜。此工艺过程简单，易操作，适应性强，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以显著提高钢表面的耐磨、耐腐蚀和耐高温氧化等性能，延长其使用寿命，满足实际应用的需求。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其采用激光喷丸、渗铬与激光控制原位熔凝氧化相结合的光化学方法处理金属材料钢表面，通过激光喷丸细化钢表面晶粒，增加晶体缺陷，加速渗铬过程中铬原子的扩散，增加渗铬层厚度，再通过激光控制原位熔凝氧化方法控制熔凝钢表面渗铬层，使熔凝深度与渗铬层厚度相匹配，保证渗铬层的铬元素在熔凝过程中发生原位氧化反应，凝固生长形成六边形图案的氧化铬，最终获得图案化的均匀氧化铬薄膜。
本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光喷丸、渗铬与激光控制原位熔凝氧化相结合的光化学方法制备图案化的均匀氧化铬薄膜，利用激光喷丸组织细化加速铬原子扩散，获得厚的渗铬层，通过控制激光熔凝深度使其与渗铬层厚度相匹配，保证铬元素原位熔凝氧化生长形成均匀性好，界面结合强度高的图案化氧化铬薄膜。其具体步骤为：
1) 将金属材料钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
2) 将预处理的钢表面进行激光喷丸处理；
3) 将激光喷丸处理的钢表面进行渗铬处理；
4) 将渗铬后的钢表面进行激光控制原位熔凝氧化处理，获得图案化的均匀氧化铬薄膜。
所述的金属材料钢为碳钢或合金钢。
所述的激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1-10GW/cm2，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为1-10mm，搭接率为20%-80%。
所述的渗铬的方法为固体渗铬、气体渗铬、盐浴渗铬或等离子渗铬。
所述的图案化的均匀氧化铬薄膜为具有六边形图案的连续匀质氧化铬薄膜。
所述的激光控制原位熔凝氧化采用毫秒脉冲Nd:YAG激光器，波长为1.064μm，激光参数控制熔凝深度与渗铬层厚度相匹配。
所述的激光控制原位熔凝氧化采用同轴输送氧气或直接采用空气中氧气进行原位氧化的方法。
本发明的优点在于：激光喷丸属于超高压高应变率冷塑性变形处理工艺，其通过超高压冲击力能够诱导钢表面发生强烈塑性变形，有效细化钢表面微观组织，增加表面晶体缺陷，加速后续渗铬过程中铬原子的扩散，增加渗铬层厚度，其与渗铬处理共同为氧化铬薄膜的形成奠定了良好的成分基础；激光控制原位熔凝氧化方法能够控制熔凝深度，使熔凝深度与渗铬层厚度相匹配，减小甚至避免基体合金元素对铬元素原位氧化生长的影响，消除熔池对流引起的表面成分和组织的不均匀性，保证渗铬层的铬元素在熔凝过程中发生原位氧化反应，形成连续均匀的氧化铬薄膜；此外，原位熔凝氧化反应能够使氧化铬发生择优生长，从而形成六边形图案的氧化铬，获得图案化的均匀氧化铬薄膜，而且原位生长的氧化铬薄膜应力小，膜/基界面结合强度高。此工艺过程简单，易操作，适合处理各种钢材，加工柔性高，适应性强，适合于大规模批量化生产。因此，本发明能够原位制得均匀性好、界面结合强度高的图案化的氧化铬薄膜，显著提高钢的表面性能，延长其使用寿命。
具体实施方式
本发明中图案化均匀氧化铬薄膜是通过激光喷丸、渗铬与激光控制原位熔凝氧化相结合的光化学方法制得的。首先将金属材料钢表面进行预处理，并将预处理的钢表面进行激光喷丸处理，然后再进行表面渗铬处理，最后将渗铬后的表面再进行激光控制原位熔凝氧化，最终获得图案化的均匀氧化铬薄膜。采用本发明制得的氧化铬薄膜具有微图案，均匀性好，界面结合强度高，显著提高了钢的表面性能，延长了其使用寿命。
实施例1：
1) 将20钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
2) 将预处理的钢表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为10GW/cm2，激光脉宽为30ns，光斑直径为8mm，搭接率为50%；
3) 将激光喷丸处理的钢表面进行等离子渗铬，渗铬层厚度约为120μm；
4) 将渗铬后的钢表面采用同轴输送氧气的方式进行激光控制原位熔凝氧化处理，控制熔凝深度与渗铬层厚度相匹配，获得六边形图案化的均匀氧化铬薄膜。
采用显微硬度仪测定图案化的均匀氧化铬薄膜的显微硬度，结果表明，氧化铬薄膜的显微硬度约为1512HV，远高于钢基体，且表面硬度比较均匀，可见，采用本发明能够显著提高钢的表面耐磨性能。因此采用本发明可以制备出高耐磨的图案化的均匀氧化铬薄膜。
实施例2：
1) 将1Cr18Ni9不锈钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
2) 将预处理的钢表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为1GW/cm2，激光脉宽为5ns，光斑直径为1mm，搭接率为80%；
3) 将激光喷丸处理的钢表面进行固体渗铬，渗铬层厚度约为18μm；
4) 将渗铬后的钢表面直接采用空气中氧气的方式进行激光控制原位熔凝氧化处理，控制熔凝深度与渗铬层厚度相匹配，获得六边形图案化的均匀氧化铬薄膜。
采用电化学腐蚀试验测定图案化的均匀氧化铬薄膜的耐腐蚀性能，结果表明，氧化铬薄膜的腐蚀电位明显正移，腐蚀电流密度显著减小，说明其耐腐蚀性能非常好，可见，采用本发明能够显著提高钢的表面耐腐蚀性能。因此采用本发明可以制备出高耐腐蚀的图案化的均匀氧化铬薄膜。
实施例3：
1) 将5SiMnMoV模具钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
2) 将预处理的钢表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为8GW/cm2，激光脉宽为40ns，光斑直径为10mm，搭接率为20%；
3) 将激光喷丸处理的钢表面进行盐浴渗铬，渗铬层厚度约为26μm；
4) 将渗铬后的钢表面采用同轴输送氧气的方式进行激光控制原位熔凝氧化处理，控制熔凝深度与渗铬层厚度相匹配，获得六边形图案化的均匀氧化铬薄膜。
采用摩擦磨损试验机测定图案化的均匀氧化铬薄膜的摩擦学性能，结果表明，氧化铬薄膜的摩擦系数约为0.07，远低于普通氧化铬薄膜，说明图案化造型能够起到减摩的作用，可见，采用本发明能够显著提高钢的表面摩擦学性能。因此采用本发明可以制备出低摩擦系数的图案化的均匀氧化铬薄膜。
Claims (6)
1.一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其特征在于，采用激光喷丸、渗铬与激光控制原位熔凝氧化相结合的光化学方法处理金属材料钢表面，通过激光喷丸细化钢表面组织结构，增加表面缺陷，加速渗铬处理的铬原子的扩散，增加渗铬层厚度，为均匀氧化铬薄膜的形成奠定成分基础，再通过激光控制原位熔凝氧化方法控制熔凝层的厚度与渗铬层厚度相匹配，使表面渗铬层中的铬元素在熔凝过程中与氧发生原位反应，凝固生长后获得图案化的均匀氧化铬薄膜；具体步骤为：
A) 将金属材料钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
B) 将预处理的钢表面进行激光喷丸处理；激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1-10GW/cm2，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为1-10mm，搭接率为20%-80%；
C) 将激光喷丸处理的钢表面进行渗铬处理；
D) 将渗铬后的钢表面进行激光控制原位熔凝氧化处理，获得图案化的均匀氧化铬薄膜。
2. 根据权利要求1所述的一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其特征在于，所述步骤A)的金属材料钢为碳钢或合金钢。
3. 根据权利要求1所述的一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其特征在于，所述步骤C)的渗铬的方法为固体渗铬、气体渗铬、盐浴渗铬或等离子渗铬。
4. 根据权利要求1所述的一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其特征在于，所述步骤D)的图案化的均匀氧化铬薄膜为具有六边形图案的连续匀质氧化铬薄膜。
5. 根据权利要求1所述的一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其特征在于，所述步骤D)的激光控制原位熔凝氧化采用毫秒脉冲Nd:YAG激光器，波长为1.064μm，激光参数控制熔凝深度与渗铬层厚度相匹配。
6. 根据权利要求1所述的一种图案化均匀氧化铬薄膜的光化学原位制备方法，其特征在于，所述步骤D)的激光控制原位熔凝氧化采用同轴输送氧气或直接采用空气中氧气进行原位氧化的方法。
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