CN108286033A - 一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属涉及一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法。其技术方案是：按氮化铬∶氧化铝∶氯化铵以质量比(5～15)∶(34～44)∶1配料，混合均匀，得到粉末包渗剂。在钢罐底部铺一层粉末包渗剂，将待镀马氏体不锈钢依次放入钢罐内，每个待镀马氏体不锈钢之间铺有或填有粉末包渗剂，再将粉末包渗剂填实于待镀马氏体不锈钢与所述钢罐间，直至填满所述钢罐，加盖密封。然后将密封后的钢罐置于坩埚炉中，在保护气氛条件下，以8～12℃/min的速率升温至1000～1100℃，保温1～8h，随炉冷却，得到涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。本发明具有工艺简单、成本低、能够批量生产和绕镀性好的优点，所制制品耐腐蚀性强、耐磨性好和硬度大。

Description

一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于氮化铬涂层技术领域。具体涉及一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，能源需求日益增大，环境恶化日趋严重。燃料电池作为一种高效、洁净和可再生的发电装置，在越来越多的领域得到了重视。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是目前应用较为广泛的燃料电池，优点在于其发电效率高、无污染和比功率高等。石墨双极板是PEMFC中的关键部件之一，但是石墨双极板的加工工艺复杂且造价昂贵；石墨脆性大，易于破损，而要使其具有足够的强度，则其厚度必须足够大，这必然会导致燃料电池整体体积偏大。这些因素限制了PEMFC的商业化发展。金属材料虽具有导电导热性好、高强度和易加工的优点，但是PEMFC的运行环境呈酸性，金属双极板在这种环境中会发生腐蚀、溶解。为避免这种情况发生，可在金属材料表面沉积一层兼具有良好导电性和耐腐蚀性的氮化铬涂层。
目前制备氮化铬涂层最常用的方法是物理气相沉积(PVD)，如多弧离子镀和磁控溅射等：多弧离子镀制备氮化铬涂层的缺点在于所需环境条件苛刻，需要在高真空条件下进行，对基材表面的清洁度要求过高，清洗处理时步骤繁琐，大批量生产时效率低，如“一种基体表面CrN涂层的制备方法”(CN201510661726.4)；磁控溅射制备氮化铬涂层的缺点在于靶材的利用率不高，致使成本增加，由于电场和磁场的方向性导致对带有沟、槽、孔的工件镀膜时厚薄不均，容易产生缺陷，如“一种硬质耐磨保护薄膜及其制备方法”(CN200510104988.7)。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、成本低、绕镀性好和能够批量生产的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法，所制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的耐腐蚀性强、耐磨性好和硬度大。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：
1)将马氏体不锈钢置于有机溶剂中清洗，烘干，得到待镀马氏体不锈钢。
2)按氮化铬∶氧化铝∶氯化铵以质量比(5～15)∶(34～44)∶1配料，混合均匀，得到粉末包渗剂。
3)在钢罐底部铺一层所述粉末包渗剂，再将所述待镀马氏体不锈钢依次放入所述钢罐内，每一个待镀马氏体不锈钢之间铺有或填有所述粉末包渗剂，然后将所述粉末包渗剂填实于待镀马氏体不锈钢与所述钢罐间，直至填满所述钢罐，加盖密封。
4)将密封后的钢罐置于坩埚炉中，在保护气氛条件下，以8～12℃/min的速率升温至1000～1100℃，保温1～8h，随炉冷却，得到涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。
所述氮化铬的Cr2N或CrN含量大于98wt％，氮化铬的粒度小于0.1mm。
所述氧化铝的Al3O2含量大于98wt％，氧化铝的粒度小于0.1mm。
所述氯化铵的NH4Cl含量大于98wt％，氯化铵的粒度小于0.1mm。
所述保护气氛为工业氩气、工业氮气和工业氦气中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明通过粉末包渗法在马氏体不锈钢表面进行氮铬共渗，原料易得，设备简单，容易操作，工序少，成批生产时效率高；能在复杂形状工件表面镀层，尤其是可涂覆带有沟、槽和孔的工件，绕镀性好。
本发明制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢具有银白色金属光泽，XRD、SEM/EDS测试表明，其表面为Cr2N，Cr2N层平均厚度为1.6～4.2μm，涂层结构完整。
本发明制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢经全浸泡腐蚀实验：涂层试样在模拟PEMFC工作的酸性溶液中(即浓度为0.05mol·L-1H2SO4+4.5mg·L-1NaF的酸性溶液)浸泡3000h，平均表面失重基本无变化；当H2SO4浓度分别增加至0.2mol·L-1和0.3mol·L-1时，对应的浸泡时间为600h和3000h，涂层试样的平均表面失重基本无变化，说明涂层试样在高至0.3mol·L-1的H2SO4溶液中都具有良好的耐腐蚀性。而未镀涂层的试样在0.05mol·L-1H2SO4+4.5mg·L-1NaF溶液中浸泡时，立即发生腐蚀溶解失重，说明其在这样弱的酸性环境中都不具有抗腐蚀性；亦说明本发明制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性。
因此，本发明具有工艺简单、成本低、能够批量生产和绕镀性好的优点，所制备的制品耐腐蚀性强、耐磨性好和硬度大。
附图说明
图1是本发明制备的一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢和无涂层的马氏体不锈钢在不同浓度H2SO4溶液中浸泡的对比试验结果图；
图2是图1所示涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢在模拟PEMFC工作的酸性溶液中浸泡1000h的横截面背散射图；
图3是图2所示(a)区域的局部放大图；
图4是图1所示涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢在模拟PEMFC工作的酸性溶液中浸泡1000h的表面二次电子形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述，并非对其保护范围的限制。凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方法替代等，均包含在本发明的保护范围之内。
本具体实施方式中：
所述氮化铬的Cr2N或CrN含量大于98wt％，氮化铬的粒度小于0.1mm。
所述氧化铝的Al3O2含量大于98wt％，氧化铝的粒度小于0.1mm。
所述氯化铵的NH4Cl含量大于98wt％，氯化铵的粒度小于0.1mm。
实施例1
一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
1)将马氏体不锈钢置于有机溶剂中清洗，烘干，得到待镀马氏体不锈钢。
2)按氮化铬∶氧化铝∶氯化铵以质量比(5～9)∶(34～38)∶1配料，混合均匀，得到粉末包渗剂。
3)在钢罐底部铺一层所述粉末包渗剂，再将所述待镀马氏体不锈钢依次放入所述钢罐内，每一个待镀马氏体不锈钢之间铺有所述粉末包渗剂，然后将所述粉末包渗剂填实于待镀马氏体不锈钢与所述钢罐间，直至填满所述钢罐，加盖密封。
4)将密封后的钢罐置于坩埚炉中，在保护气氛条件下，以8～10℃/min的速率升温至1000～1040℃，保温1～6h，随炉冷却，得到涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。
所述马氏体不锈钢为440A马氏体不锈钢；所述马氏体不锈钢为平板状工件。
所述保护气氛为工业氩气。
本实施例制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢具有银白色金属光泽，XRD、SEM/EDS测试表明，其表面为Cr2N，Cr2N层平均厚度为1.6～2.4μm，涂层结构完整。
实施例2
一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
1)将马氏体不锈钢置于有机溶剂中清洗，烘干，得到待镀马氏体不锈钢。
2)按氮化铬∶氧化铝∶氯化铵以质量比(8～12)∶(37～41)∶1配料，混合均匀，得到粉末包渗剂。
3)在钢罐底部铺一层所述粉末包渗剂，再将所述待镀马氏体不锈钢依次放入所述钢罐内，每一个待镀马氏体不锈钢之间填有所述粉末包渗剂，然后将所述粉末包渗剂填实于待镀马氏体不锈钢与所述钢罐间，直至填满所述钢罐，加盖密封。
4)将密封后的钢罐置于坩埚炉中，在保护气氛条件下，以9～11℃/min的速率升温至1030～1070℃，保温2～7h，随炉冷却，得到涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。
所述马氏体不锈钢为440B马氏体不锈钢；所述马氏体不锈钢为壳体状工件。
所述保护气氛为工业氮气。
本实施例制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢具有银白色金属光泽，XRD、SEM/EDS测试表明，其表面为Cr2N，Cr2N层平均厚度为2.6～3.2μm，涂层结构完整。
实施例3
一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
1)将马氏体不锈钢置于有机溶剂中清洗，烘干，得到待镀马氏体不锈钢。
2)按氮化铬∶氧化铝∶氯化铵以质量比(11～15)∶(40～44)∶1配料，混合均匀，得到粉末包渗剂。
3)在钢罐底部铺一层所述粉末包渗剂，再将所述待镀马氏体不锈钢依次放入所述钢罐内，每一个待镀马氏体不锈钢之间填有所述粉末包渗剂，然后将所述粉末包渗剂填实于待镀马氏体不锈钢与所述钢罐间，直至填满所述钢罐，加盖密封。
4)将密封后的钢罐置于坩埚炉中，在保护气氛条件下，以10～12℃/min的速率升温至1060～1100℃，保温3～8h，随炉冷却，得到涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。
所述马氏体不锈钢为440C马氏体不锈钢；所述马氏体不锈钢为带有螺孔或螺杆的工件。
所述保护气氛为工业氦气。
本实施例制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢具有银白色金属光泽，XRD、SEM/EDS测试表明，其表面为Cr2N，Cr2N层平均厚度为3.6～4.2μm，涂层结构完整。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下优点：
本具体实施方式通过粉末包渗法在马氏体不锈钢表面进行氮铬共渗，原料易得，设备简单，容易操作，工序少，成批生产时效率高；能在复杂形状工件表面镀层，尤其是可涂覆带有沟、槽和孔及形状复杂的工件，绕镀性好。
本具体实施方式制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的全浸泡腐蚀实验结果如附图所示：图1是实施例1制备的一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢和无涂层的马氏体不锈钢在不同浓度H2SO4溶液中浸泡的对比试验结果图；图2是图1所示涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢在模拟PEMFC工作的酸性溶液中浸泡1000h的横截面背散射图；图3是图2所示(a)区域的局部放大图；图4是图1所示涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢在模拟PEMFC工作的酸性溶液中浸泡1000h的表面二次电子形貌图。
从图1～图4可以看出，涂层试样在模拟PEMFC工作的酸性溶液中(即浓度为0.05mol·L-1H2SO4+4.5mg·L-1NaF的酸性溶液)浸泡3000h，平均表面失重基本无变化；当H2SO4浓度分别增加至0.2mol·L-1和0.3mol·L-1时，对应的浸泡时间为600h和3000h，涂层试样的平均表面失重基本也无变化，说明涂层试样在高至0.3mol·L-1的H2SO4溶液中都具有良好的耐腐蚀性。从图1还可以看出，未镀涂层的试样在0.05mol·L-1H2SO4+4.5mg·L- 1NaF溶液中浸泡时，立即发生腐蚀溶解失重，不仅说明在这样弱的酸性环境中都不具有抗腐蚀性，而且说明本具体实施方式制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的耐腐蚀性强。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、成本低、能够批量生产和绕镀性好的优点，所制备的制品耐腐蚀性强、耐磨性好和硬度大。

Claims (6)

1.一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：
1)将马氏体不锈钢置于有机溶剂中清洗，烘干，得到待镀马氏体不锈钢；
2)按氮化铬∶氧化铝∶氯化铵以质量比(5～15)∶(34～44)∶1配料，混合均匀，得到粉末包渗剂；
3)在钢罐底部铺一层所述粉末包渗剂，再将所述待镀马氏体不锈钢依次放入所述钢罐内，每一个待镀马氏体不锈钢之间铺有或填有所述粉末包渗剂，然后将所述粉末包渗剂填实于待镀马氏体不锈钢与所述钢罐间，直至填满所述钢罐，加盖密封；
4)将密封后的钢罐置于坩埚炉中，在保护气氛条件下，以8～12℃/min的速率升温至1000～1100℃，保温1～8h，随炉冷却，得到涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。
2.根据权利要求1所述涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述氮化铬的Cr2N或CrN含量大于98wt％，氮化铬的粒度小于0.1mm。
3.根据权利要求1所述涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述氧化铝的Al3O2含量大于98wt％，氧化铝的粒度小于0.1mm。
4.根据权利要求1所述涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述氯化铵的NH4Cl含量大于98wt％，氯化铵的粒度小于0.1mm。
5.根据权利要求1所述涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述保护气氛为工业氩气、工业氮气和工业氦气中的一种。
6.一种涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢，其特征在于所述涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢是根据权利要求1～5项中任一项所述涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢的制备方法所制备的涂覆Cr2N涂层的马氏体不锈钢。
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