CN115305437A - 一种减缓构件性能退化的复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种减缓构件性能退化的复合涂层及其制备方法，复合涂层包括包括钢铁基体（10），所述钢铁基体（10）表面设置渗氮层（20），且渗氮层（20）远离钢铁基体（10）一侧侧面设置镀铬层（30）；该复合涂层的制备方法包括除油清洗、预热处理、渗层制备、冷水+热水混合清洗、等离子轰击、镀层制备及水洗烘干等步骤。本申请涂层现有技术中电镀铬层在高温、高压及高频次挤压或冲击情况下易出现开裂、剥落的问题，获得了强度阶梯分布合理、支撑性强、韧性好、耐磨耐烧蚀性能好的构件。
Description
技术领域
本发明涉及功能涂层技术领域，具体涉及一种减缓构件性能退化的复合涂层及其制备方法。
背景技术
电镀，即利用电解原理在金属表面镀上一层其它金属或合金薄膜层的过程，从而达到防止金属氧化（如锈蚀），或提高金属整体耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性（硫酸铜等）等性能，或改善金属外观、增加金属整体观感的作用。由于铬层具有硬度高、耐磨耐蚀性能好、熔点高、抗高温氧化性能好及抗烧蚀性能强等特性，现有技术通常在金属表面进行电镀铬层的处理，提高金属的耐磨耐蚀性能、避免金属构件出现严重损耗或严重老化，从而避免由于长期磨损或烧蚀等影响构件的使用性能、降低构件使用寿命。
随着工业化生产的发展，现阶段的某些金属构件在使用过程中会承受如高温、高压或高频次的冲击或挤压，如发动机缸盖气门座圈锥面、枪管或炮管的内膛等部位，易导致金属构件产生塌陷，从而引发镀层出现开裂、且裂纹迅速扩展，导致镀层从金属构件表面剥离、脱落，进而造成金属构件表面直接与外界环境接触，加速金属构件的摩擦损耗及烧蚀，长期、反复损耗直接影响金属构件的使用性能与使用寿命、甚至出现不可逆的安全问题。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种减缓构件性能退化的复合涂层，以解决现有技术中电镀铬层在高温、高压及高频次挤压或冲击情况下易出现开裂、剥落的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，用于制备上述复合涂层，从而避免复合涂层之间的结合力差、韧性差、脆性大的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种减缓构件性能退化的复合涂层，其特征在于：包括钢铁基体，所述钢铁基体表面设置渗氮层，且渗氮层远离钢铁基体一侧侧面设置镀铬层。
作进一步优化，所述渗氮层的深度为100～300μm；所述镀铬层的厚度为10～100μm。
渗氮层与基体结合力好、硬度高、支撑性强、裂纹抑制能力强，镀铬层熔点高、耐磨性能好、抗烧蚀能力强；通过在钢铁基体表面分别制备渗氮层与镀铬层，从而将渗氮层高温支撑性好、裂纹抑制能力强的优点与镀铬层耐磨抗烧蚀性能强的优点相结合，既避免镀铬层的开裂、剥落，又能有效的保证基体的耐磨耐烧蚀性能。
一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01、对待进行表面处理的钢铁基体进行除油清洗；
S02、将步骤S01处理后的钢铁基体放入预热炉中进行预热，去除钢铁基体表面水分；
S03、将步骤S02处理后的钢铁基体放入盐浴渗氮装置中、利用含稀土元素的盐浴进行渗氮层制备；
S04、将步骤S03处理后的钢铁基体放入清洗槽中，先采用冷水进行清洗，再采用热水对冷水清洗后的钢铁基体进行清洗，最后进行晾干或烘干处理；采用冷水清洗+热水清洗的混合洗涤方式，在节约能源的基础上，有效去除钢铁基体表面的残盐，避免残盐影响后续制备工艺；
S05、将步骤S04处理后的钢铁基体放入等离子处理装置中，采用等离子轰击的方式对钢铁基体表面的渗氮层进行轰击；
S06、将步骤S05处理后的钢铁基体放入镀铬槽中，采用电镀液进行镀铬层的制备，从而获得复合涂层；
S07、将步骤S06处理后的钢铁基体再次放入清洗槽中，采用流动的水对钢铁基体进行清洗，清洗后进行烘干，即得含有复合涂层的构件。
作进一步优化，所述步骤S01中采用有机溶剂或金属清洗剂中任一种对钢铁基体表面进行清洗。
作进一步优化，所述步骤S02中预热炉的温度为200～300℃、预热时间 为10～30min。
采用预热处理，使得钢铁基体表面形成氧化层；预氧化处理利于氮原子的吸附，从而保证渗氮层制备的效果（即获得更深且更均匀的渗氮层），进而确保整体渗镀复合涂层的耐磨耐蚀性与使用寿命，避免后续制备的镀层结构出现开裂、脱落等问题。
作进一步优化，所述步骤S03中含稀土元素的盐浴包括CO(NH2)2、Na2CO3、KCl及稀土元素添加剂，所述CO(NH2)2、Na2CO3、KCl与稀土元素添加剂的重量百分比分别为20～30%、40～50%、15～25%、1～6%。
作进一步优化，所述稀土元素添加剂为氯化镧与碳酸镧的混合物，其质量比为1～8：2～11。
作进一步优化，所述步骤S03中渗氮层制备的工艺温度为520～580℃、时间为30～300min。
作进一步优化，所述步骤S05中等离子处理装置的阴极与阳极之间的距离为15～20cm，等离子轰击过程中的真空度为0.2～0.6Pa、偏压为150～500V、温度为150～300℃、电流为2～2.5A、时间为2～10h。
作进一步优化，所述步骤S05中等离子处理装置采用霍尔源或阴极电弧源中的任一种，等离子轰击过程保持在氩气气氛下。
由于渗氮过程是氮由钢铁基体表面向内心部分扩散的过程，表面氮的浓度高、易形成含氮浓度高的Fe2-3N化合物层，而Fe2-3N化合物层硬度高、韧性差、脆性大，在高压、高温与高频的挤压或冲击下，易出现变形与开裂，从而造成表面的电镀铬层开裂、脱落等问题。本申请首先通过上述特定配方的盐浴进行渗氮层制备，有效抑制Fe2-3N化合物层的生长，提高韧性较好的Fe4N扩散层的生长比例（Fe4N韧性好、硬度相对较低），从而提高渗层的韧性、降低渗层的脆性和变形；然后再通过等离子轰击的表面活化处理工艺，进一步去除了基体表面的Fe2-3N化合物层，从而保证整个渗层的韧性高、变形量低。并且，等离子轰击的活化处理工艺还能在对渗层表面清洁的同时实现渗层表面的毛化，从而提高渗层与镀层界面间的结合力；此外，等离子轰击能够有效提升基体表面的分子运动速率，从而电镀时的效果，进一步确保镀层与渗层的结合力。
此外，采用上述方法制得的渗氮层硬度为400 HV～700HV、镀铬层硬度为700HV ～1100V，同时钢铁基体的硬度为200HV～350HV，从而由钢铁基体到镀铬层形成合理的硬度梯度分布，具有合理的强化层分布，进而大幅提升基体的支撑能力，有效避免基体在高温、高压及高频次的冲击或挤压下出现塌陷问题，避免镀铬层出现开裂或脱落。
作进一步优化，所述步骤S06中电镀液包括：250～350g/L的CrO3、2.5～4g/L的H2SO4、3～7g/L的Cr2O3、1～6g/L的Fe，其余为去离子水；镀铬槽中制备镀铬层的条件为：镀液温度为40～60℃、电流密度为30～45A/dm2。
作进一步优化，所述步骤S07中烘干温度为50～70℃。
作进一步优化，所述钢铁基体的材料为高强钢时，所述步骤S07后的8h内还进行去氢处理，避免构件出现氢脆。
本发明具有如下技术效果：
与现有技术相比，本申请通过在钢铁基体表面进行渗氮层与镀铬层的复合涂层制备，通过基体-渗层-镀层的强度梯度分布，有效提升基体的支撑能力，避免基体在高温、高压及高频次冲击或挤压过程中出现塌陷；同时，通过渗氮层结构与镀铬层结构的配合，其中渗氮层表现为压应力，既通过渗氮层有效抑制镀铬层的裂纹扩展、避免镀铬层开裂，又确保渗氮层与镀铬层之间的结合强度、避免镀铬层从基体表剥落，从而确保基体具有优异的耐磨耐蚀性、提高基体的使用寿命，降低基体在特殊环境下的损耗、确保使用过程中 的安全性。采用本申请处理后的基体表面相对于只进行镀铬处理的基体、其使用寿命提升了30～50%，从而拉长构件更换周期、降低成本。
此外，通过本申请方法制备渗氮层与镀铬层的复合涂层，能够有效避免渗层与镀层结构之间形成强度高、脆性大、韧性差的Fe2-3N化合物层，从而保证复合涂层整体之间的结合力与韧性，确保基体与复合涂层之间的强度梯度分布，避免渗氮层或镀铬层在高温、高压及高频次冲击或挤压过程中出现开裂、剥落等问题，保证基体和复合涂层的正常工作及使用性能。
附图说明
图1为本发明实施例中渗镀复合涂层的截面金相图。
图2为本发明实施例中渗镀复合涂层的结构示意图。
其中，10、钢铁基体；20、渗氮层；30、镀铬层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1：
一种减缓构件性能退化的复合涂层，其特征在于：包括钢铁基体10（如炮管、其材料为高强钢），炮管表面设置渗氮层20，且渗氮层20远离炮管一侧侧面设置镀铬层30（如图2所示）；渗氮层20的深度为100μm，镀铬层30的厚度为10μm。
上述复合涂层的制备方法具体包括以下步骤：
S01、采用有机溶剂对待进行表面处理的炮管进行除油清洗、去除炮管表面的油污（需要说明的是：有机溶剂采用本领域常见清洗剂，只需要满足能够有效、彻底的去除炮管表面的油污即可，本领域技术人员能够理解）；
S02、将步骤S01处理后的炮管放入预热炉中进行预热，预热温度为200℃、预热时间为10min，去除炮管表面水分，同时炮管表面形成氧化层；
S03、将步骤S02处理后的炮管放入盐浴渗氮装置中、利用含稀土元素的盐浴进行渗氮层20制备；
含稀土元素的盐浴包括CO(NH2)2、Na2CO3、KCl及稀土元素添加剂，且CO(NH2)2、Na2CO3、KCl与稀土元素添加剂的重量百分比分别为26%、44%、24.5%、5.5%；其中，稀土元素添加剂为氯化镧与碳酸镧的混合物，其质量比为3：2。
具体过程为：首先将步骤S02中处理后的炮管直接浸没在盐浴渗氮装置的含稀土元素的盐浴中，然后设置盐浴渗氮装置的温度为520℃，盐浴时间为30min。
S04、将步骤S03处理后的炮管放入清洗槽中，先采用冷水进行清洗，再采用热水对冷水清洗后的炮管进行清洗，最后进行晾干处理（晾干温度和时间不做具体限定、只需满足炮管表面完全干燥即可）；采用冷水清洗+热水清洗的混合洗涤方式，在节约能源的基础上，有效去除炮管表面的残盐，避免残盐影响后续制备工艺；
S05、将步骤S04处理后的炮管放入等离子处理装置中，采用等离子轰击的方式对炮管表面的渗氮层20进行轰击；等离子处理装置采用霍尔源，且等离子轰击过程保持在氩气气氛下；等离子处理装置的阴极与阳极之间的距离为15cm
具体过程为：首先将步骤S04处理后的炮管接等离子处理装置中的阴极，持续通入氩气，保持等离子处理装置中的真空度为0.2Pa、温度为150℃、偏压为150V；然后开启霍尔源，电流为2A，轰击时间为2h；最后停止等离子处理装置，取出炮管；
S06、将步骤S05处理后的炮管放入镀铬槽中，采用电镀液进行镀铬层30的制备，从而获得复合涂层；电镀液包括：250g/L的CrO3、2.5g/L的H2SO4、3g/L的Cr2O3、1g/L的Fe，其余为去离子水；镀铬槽中制备镀铬层30的条件为：镀液温度为40℃、电流密度为30A/dm2；
需要说明的是：电镀铬层采用现有常规的电镀手段进行；
S07、将步骤S06处理后的炮管再次放入清洗槽中，采用流动的水对炮管进行清洗，清洗后进行烘干、烘干温度为50℃（此处烘干时间不做限定，确保完全烘干即可）；
S08、在步骤S07烘干后的8h内对炮管进行去氢处理、避免构件出现氢脆，即得含有复合涂层的构件。
需要说明的是：去氢处理采用本领域常见的去氢手段即可。
将含有复合涂层的构件与仅进行电镀铬层的构件同时在模拟环境箱中进行老化试验，试验结果表明：在相同高温、高压、高频的挤压或冲击环境下，与只进行如本实施例步骤S06所述的电镀铬处理与步骤S08去氢处理的炮管相比，本实施例的使用寿命提高了30%（即使用时间提高了30%）。
实施例2：
一种减缓构件性能退化的复合涂层，其特征在于：包括钢铁基体10（如发动机缸盖表面、其材料为铸铁），发动机缸盖表面设置渗氮层20，且渗氮层20远离发动机缸盖一侧侧面设置镀铬层30（如图2所示）；渗氮层20的深度为200μm，镀铬层30的厚度为53μm。
上述复合涂层的制备方法具体包括以下步骤：
S01、采用有机溶剂对待进行表面处理的发动机缸盖进行除油清洗、去除发动机缸盖表面的油污（需要说明的是：有机溶剂采用本领域常见清洗剂，只需要满足能够有效、彻底的去除发动机缸盖表面的油污即可，本领域技术人员能够理解）；
S02、将步骤S01处理后的发动机缸盖放入预热炉中进行预热，预热温度为245℃、预热时间为22min，去除发动机缸盖表面水分，同时发动机缸盖表面形成氧化层；
S03、将步骤S02处理后的发动机缸盖放入盐浴渗氮装置中、利用含稀土元素的盐浴进行渗氮层20制备；
含稀土元素的盐浴包括CO(NH2)2、Na2CO3、KCl及稀土元素添加剂，且CO(NH2)2、Na2CO3、KCl与稀土元素添加剂的重量百分比分别为25%、46%、25%、4%；其中，稀土元素添加剂为氯化镧与碳酸镧的混合物，其质量比为5：3。
具体过程为：首先将步骤S02中处理后的发动机缸盖直接浸没在盐浴渗氮装置的含稀土元素的盐浴中，然后设置盐浴渗氮装置的温度为550℃，盐浴时间为170min。
S04、将步骤S03处理后的发动机缸盖放入清洗槽中，先采用冷水进行清洗，再采用热水对冷水清洗后的发动机缸盖进行清洗，最后进行晾干处理（晾干温度和时间不做具体限定，只需满足发动机缸盖表面完全干燥即可）；采用冷水清洗+热水清洗的混合洗涤方式，在节约能源的基础上，有效去除发动机缸盖表面的残盐，避免残盐影响后续制备工艺；
S05、将步骤S04处理后的发动机缸盖放入等离子处理装置中，采用等离子轰击的方式对发动机缸盖表面的渗氮层20进行轰击；等离子处理装置采用霍尔源，且等离子轰击过程保持在氩气气氛下；等离子处理装置的阴极与阳极之间的距离为18cm
具体过程为：首先将步骤S04处理后的发动机缸盖接等离子处理装置中的阴极，持续通入氩气，保持等离子处理装置中的真空度为0.4Pa、温度为225℃、偏压为300V；然后开启霍尔源，电流为2.3A，轰击时间为5.5h；最后停止等离子处理装置，取出发动机缸盖；
S06、将步骤S05处理后的发动机缸盖放入镀铬槽中，采用电镀液进行镀铬层30的制备，从而获得复合涂层；电镀液包括：290g/L的CrO3、3.3g/L的H2SO4、5g/L的Cr2O3、3.2g/L的Fe，其余为去离子水；镀铬槽中制备镀铬层30的条件为：镀液温度为50℃、电流密度为37A/dm2；
需要说明的是：电镀铬层采用现有常规的电镀手段进行；
S07、将步骤S06处理后的发动机缸盖再次放入清洗槽中，采用流动的水对发动机缸盖进行清洗，清洗后进行烘干、烘干温度为60℃（此处烘干时间不做限定，确保完全烘干即可）。
将含有复合涂层的构件与仅进行电镀铬层的构件同时在模拟环境箱中进行老化试验，试验结果表明：在相同高温、高压、高频的挤压或冲击环境下，与只进行如本实施例步骤S06所述的电镀铬处理的发动机缸盖相比，本实施例的使用寿命提高了40%（即使用时间提高了40%）。
实施例3：
一种减缓构件性能退化的复合涂层，其特征在于：包括钢铁基体10（如发动机缸盖表面、其材料为铸铁），发动机缸盖表面设置渗氮层20，且渗氮层20远离发动机缸盖一侧侧面设置镀铬层30（如图2所示）；渗氮层20的深度为300μm，镀铬层30的厚度为100μm。
上述复合涂层的制备方法具体包括以下步骤：
S01、采用金属清洗剂对待进行表面处理的发动机缸盖进行除油清洗、去除发动机缸盖表面的油污（需要说明的是：金属清洗剂采用本领域常见清洗剂，只需要满足能够有效、彻底的去除发动机缸盖表面的油污即可，本领域技术人员能够理解）；
S02、将步骤S01处理后的发动机缸盖放入预热炉中进行预热，预热温度为300℃、预热时间为30min，去除发动机缸盖表面水分，同时发动机缸盖表面形成氧化层；
S03、将步骤S02处理后的发动机缸盖放入盐浴渗氮装置中、利用含稀土元素的盐浴进行渗氮层20制备；
含稀土元素的盐浴包括CO(NH2)2、Na2CO3、KCl及稀土元素添加剂，且CO(NH2)2、Na2CO3、KCl与稀土元素添加剂的重量百分比分别为25%、49%、23%、3%；其中，稀土元素添加剂为氯化镧与碳酸镧的混合物，其质量比为7：4。
具体过程为：首先将步骤S02中处理后的发动机缸盖直接浸没在盐浴渗氮装置的含稀土元素的盐浴中，然后设置盐浴渗氮装置的温度为580℃，盐浴时间为300min。
S04、将步骤S03处理后的发动机缸盖放入清洗槽中，先采用冷水进行清洗，再采用热水对冷水清洗后的发动机缸盖进行清洗，最后进行烘干处理（烘干温度和时间不做具体限定，只需满足发动机缸盖表面完全干燥即可）；采用冷水清洗+热水清洗的混合洗涤方式，在节约能源的基础上，有效去除发动机缸盖表面的残盐，避免残盐影响后续制备工艺；
S05、将步骤S04处理后的发动机缸盖放入等离子处理装置中，采用等离子轰击的方式对发动机缸盖表面的渗氮层20进行轰击；等离子处理装置采用霍尔源，且等离子轰击过程保持在氩气气氛下；等离子处理装置的阴极与阳极之间的距离为20cm
具体过程为：首先将步骤S04处理后的发动机缸盖接等离子处理装置中的阴极，持续通入氩气，保持等离子处理装置中的真空度为0.6Pa、温度为300℃、偏压为500V；然后开启霍尔源，电流为2.5A，轰击时间为10h；最后停止等离子处理装置，取出发动机缸盖；
S06、将步骤S05处理后的发动机缸盖放入镀铬槽中，采用电镀液进行镀铬层30的制备，从而获得复合涂层；电镀液包括：350g/L的CrO3、4g/L的H2SO4、7g/L的Cr2O3、6g/L的Fe，其余为去离子水；镀铬槽中制备镀铬层30的条件为：镀液温度为60℃、电流密度为45A/dm2；
需要说明的是：电镀铬层采用现有常规的电镀手段进行；
S07、将步骤S06处理后的发动机缸盖再次放入清洗槽中，采用流动的水对发动机缸盖进行清洗，清洗后进行烘干、烘干温度为70℃（此处烘干时间不做限定，确保完全烘干即可）。
将含有复合涂层的构件与仅进行电镀铬层的构件同时在模拟环境箱中进行老化试验，试验结果表明：在相同高温、高压、高频的挤压或冲击环境下，与只进行如本实施例步骤S06所述的电镀铬处理的发动机缸盖相比，本实施例的使用寿命提高了50%（即使用时间提高了50%）。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种减缓构件性能退化的复合涂层，其特征在于：包括钢铁基体（10），所述钢铁基体（10）表面设置渗氮层（20），且渗氮层（20）远离钢铁基体（10）一侧侧面设置镀铬层（30）。
2.根据权利要求1所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层，其特征在于：所述渗氮层（20）的深度为100～300μm；所述镀铬层（30）的厚度为10～100μm。
3.如权利要求1所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01、对待进行表面处理的钢铁基体（10）进行除油清洗；
S02、将步骤S01处理后的钢铁基体（10）放入预热炉中进行预热，去除钢铁基体（10）表面水分；
S03、将步骤S02处理后的钢铁基体（10）放入盐浴渗氮装置中、利用含稀土元素的盐浴进行渗氮层（20）制备；
S04、将步骤S03处理后的钢铁基体（10）放入清洗槽中，先采用冷水进行清洗，再采用热水对冷水清洗后的钢铁基体（10）进行清洗，最后进行晾干或烘干处理；
S05、将步骤S04处理后的钢铁基体（10）放入等离子处理装置中，采用等离子轰击的方式对钢铁基体（10）表面的渗氮层进行轰击；
S06、将步骤S05处理后的钢铁基体（10）放入镀铬槽中，采用电镀液进行镀铬层（30）的制备，从而获得复合涂层；
S07、将步骤S06处理后的钢铁基体（10）再次放入清洗槽中，采用流动的水对钢铁基体（10）进行清洗，清洗后进行烘干，即得含有复合涂层的构件。
4.根据权利要求3所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S01中采用有机溶剂或金属清洗剂中任一种对钢铁基体（10）表面进行清洗。
5.如权利要求3或4所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S02中预热炉的温度为200～300℃、预热时间为10～30min。
6.如权利要求3～5所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S03中含稀土元素的盐浴包括CO(NH2)2、Na2CO3、KCl及稀土元素添加剂，所述CO(NH2)2、Na2CO3、KCl与稀土元素添加剂的重量百分比分别为20～30%、40～50%、15～25%、1～6%。
7.如权利要求3～5所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S05中等离子处理装置的阴极与阳极之间的距离为15～20cm，等离子轰击过程中的真空度为0.2～0.6Pa、偏压为150～500V、温度为150～300℃、电流为2～2.5A、时间为2～10h。
8.如权利要求3～5所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S05中等离子处理装置采用霍尔源或阴极电弧源中的任一种，等离子轰击过程保持在氩气气氛下。
9.如权利要求3所述的一种减缓构件性能退化的复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S07中烘干温度为50～70℃。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN115305437A true CN115305437A (zh) | 2022-11-08 |
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