本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有冶金結(jié)合界面的超細(xì)晶/納米晶cr涂層復(fù)合制備工藝方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，要求機(jī)械零件能夠在高溫高壓等極端條件下穩(wěn)定工作，要求零件材料具有更好的抗腐蝕性、耐高溫性以及耐磨性等，同時在滿足產(chǎn)品性能的條件下，還希望能實(shí)現(xiàn)金屬材料表面性能的改善，參數(shù)更加優(yōu)化，使金屬材料在低成本高效率產(chǎn)品工藝中實(shí)現(xiàn)使用要求；現(xiàn)在改善材料表面性能的方法之一就是涂層技術(shù)，其中在金屬表面制備cr涂層可有效改善鋼的耐熱性、抗腐蝕性以及抗氧化性，由于納米涂層在機(jī)械性能等諸多方面能表現(xiàn)出不同與宏觀物質(zhì)的特點(diǎn)，日益成為現(xiàn)今科技發(fā)展前沿的重要領(lǐng)域，廣泛用于現(xiàn)代制造業(yè)中。

納米涂層制備技術(shù)主要包括：①化學(xué)氣相沉積，通過含有涂層元素的氣相反應(yīng)實(shí)際熱分解或相互之間反應(yīng)，在基體表面形成涂層。但化學(xué)氣相沉積涂層制備速度慢，涂層較薄。②熱噴涂技術(shù)，它是利用熱源將噴涂材料熔化并利用機(jī)械力將熔融顆粒加速噴向基體材料表面形成涂層的一種技術(shù)。但由于納米顆粒不能直接用于熱噴涂，易存在納米粉燒結(jié)等問題。③物理氣相沉積，它是利用蒸發(fā)，電離或?yàn)R射等過程，產(chǎn)生金屬粒子并與氣體反應(yīng)形成化合物沉積在工件表面的一種技術(shù)。但物理氣相沉積工藝設(shè)備復(fù)雜，所制涂層較薄。

綜上所述，當(dāng)前納米涂層制備技術(shù)往往難以同時實(shí)現(xiàn)大面積和厚涂層，現(xiàn)在的現(xiàn)在的納米涂層與基體材料的結(jié)合力差、表面耐磨力和耐腐蝕性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種超細(xì)晶/納米晶cr涂層的復(fù)合制備方法，解決納米涂層與基體材料的結(jié)合力差、表面耐磨力和耐腐蝕性差的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種超細(xì)晶/納米晶cr涂層的復(fù)合制備工藝，包括如下步驟：

1)將基體材料切割成合適的尺寸后，對基體材料進(jìn)行多次研磨后清洗；

2)將步驟1)中清洗后的基體材料干燥后進(jìn)行電解拋光處理；

3)將步驟2)中拋光處理后的基體材料置于電子束真空室內(nèi)，利用電子束對基體材料表面進(jìn)行表面改性和表面形貌改善，同時利用電子束的凈化作用對材料表面進(jìn)行清潔，并在基體材料表面上產(chǎn)生位錯形成原子擴(kuò)散通道；

4)將步驟3)中得到的基體材料在電刷鍍設(shè)備上進(jìn)行刷鍍cr處理在基體材料表面上形成cr涂層，cr涂層的厚度為10μm～100μm；

5)將步驟4)中進(jìn)行刷鍍后的基體材料進(jìn)行退火處理，使得基體材料表面的cr涂層再結(jié)晶為納米晶cr涂層或超細(xì)晶cr涂層。

本技術(shù)方案中，首先將基體材料切割合適的尺寸，然后對基體材料進(jìn)行多次研磨后清洗，通過對基體材料表面進(jìn)行研磨，使得基體材料達(dá)到工藝所需的表面粗糙度與表面光潔度，再通過清洗去除基體材料上的油污和表面雜質(zhì)顆粒；然后再通過電解拋光將基體材料表現(xiàn)上的毛刺和更深層的雜質(zhì)進(jìn)行有效去除，保證基體材料的品質(zhì)能夠滿足后續(xù)工藝的條件；再將電解拋光后的基體材料置于電子束真空室內(nèi)，利用電子束對基體材料表面進(jìn)行表面改性和表面形貌改善，同時利用電子束的凈化作用對材料表面進(jìn)行清潔，并在基體材料表面上產(chǎn)生位錯形成原子擴(kuò)散通道；再用電刷鍍設(shè)備在基體材料的表面進(jìn)行刷鍍cr處理形成的耐磨、耐熱和抗腐蝕性能較好的cr涂層；cr涂層的厚度可以達(dá)到10μm～100μm；最后對基體材料進(jìn)行退火處理，使得cr涂層再結(jié)晶為超細(xì)晶cr涂層或者納米晶cr涂層，甚至促進(jìn)沉積元素擴(kuò)散；在涂層與基體表面之間形成擴(kuò)散層，使得基體與涂層之間的機(jī)械結(jié)合方式轉(zhuǎn)化為冶金結(jié)合方式；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在基體材料表面上大面積噴涂且涂層厚度較厚的目的同時，使得基體材料與cr涂層之間的結(jié)合力好、基體材料表面的耐磨、耐熱和耐腐蝕性能更好。

進(jìn)一步地，所述步驟3)中將拋光處理后的基體材料置于電子束真空室后，抽真空至真空度p<7.5×10^-3pa；控制通入的電流i<0.6a，然后再通入保護(hù)氣體，通入的保護(hù)氣體為高純氬氣。為了減少粒子在運(yùn)動中與殘余氣體碰撞而造成粒子的丟失和束流性能變壞，需要在一個高真空的環(huán)境下才能誘發(fā)高能量密度電子流，但真空度越大，所需要的設(shè)備要求越高，抽真空時間越長，能耗越大，因此當(dāng)真空度達(dá)到可以產(chǎn)生高能電子束的要求即可，專利所用設(shè)備的最低真空度要求是7.5×10-3pa。通入惰性氣體是為了保護(hù)系統(tǒng)。

進(jìn)一步，所述步驟3)中保護(hù)氣體通入完畢后，啟動電子束，設(shè)置電子束的脈沖次數(shù)為5～100次，設(shè)置加速電壓為15～32kv。一般改性層深度不超過幾十個微米，對應(yīng)電子在不同材料中的射程，電子的加速電壓在40kv以下便可滿足要求，同時也可在一定程度上降低輻射危害，同時結(jié)合專利所用設(shè)備的配置以及處于能耗考慮，因此選擇加速電壓在15～32kv；在脈沖轟擊下，碳化物將發(fā)生過熱噴發(fā)，而隨后的快速凝固和冷卻卻使得噴發(fā)的形貌保留下來，從而在試樣表面形成火山坑，隨脈沖次數(shù)增加，越來越多碳化物被噴發(fā)或熔解，使得火山坑得以形核的位置大大減少，形成效率低，但也使表層更加均勻化，根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)所得，控制脈沖次數(shù)在5～100次。

在步驟4)中，對基體材料進(jìn)行電刷鍍前，先對基體材料依次進(jìn)行電凈處理、強(qiáng)活化處理和弱活化處理。先對基體進(jìn)行電凈處理，以達(dá)到除去油污和輕微除銹的作用；再進(jìn)行強(qiáng)活化處理，利用腐蝕速率較快的活化液去除技術(shù)表面氧化膜和疲勞層，同時去除金屬毛刺和剝蝕鍍層，最后進(jìn)行弱活化處理，去除基體材料中經(jīng)過強(qiáng)活化液活化后表面出現(xiàn)的炭黑層。

所述基體材料在電凈處理時的工作電壓為正接10v～12v，電凈處理時間為20s～30s；強(qiáng)活化處理的工作電壓為正接10v～12v，強(qiáng)活化處理時間為30～60s；弱活化處理的工作電壓為正接12v～14v，弱活化處理時間為20～25s。

所述步驟4)中，電刷鍍的工件先接負(fù)極，刷鍍時間10～20s，工作電壓11v～12v，其目的是先預(yù)鍍一層鉻層，以保證后面刷鍍鉻層的質(zhì)量；再改變電壓為10v～11v，刷鍍時間為10min～60min，勻速刷鍍，以確保鉻層的均勻性。

進(jìn)一步，所述步驟5)中的退火溫度為700℃～1100℃，退火保溫時間為0.5h～2h。

進(jìn)一步，所述步驟1)中研磨是指依次選用240#、400#、600#、800#的砂紙度基體材料的表面進(jìn)行干磨，再選用1000#，1200#，1500#，2000#，3000#砂紙對基體材料的表面進(jìn)行水磨。干磨速度快節(jié)約資源，水磨的好處是可以把磨下來樣品屑、砂紙上掉下來的小碎屑沖掉，保持砂紙摩擦效果，同時不讓磨削對試樣造成表面損傷。

進(jìn)一步，所述步驟1)中清洗方式采用超聲波清洗，清洗時間為10min～15min；超聲波清洗能夠?qū)ρ心ズ蟮幕w材料表面上更深層的雜質(zhì)進(jìn)行清除。

進(jìn)一步，所述步驟2)中電解拋光的溫度為-20℃～-30℃，電解拋光電壓為30v～20v；所述拋光液由10％～13％的高氯酸和90～87％的乙醇組成。

電解拋光液的參數(shù)是在相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際情況(拋光試樣的材質(zhì)、接觸面積等)加以調(diào)整的，拋光溫度越低電壓約高時間越長，拋光強(qiáng)度越大，反之拋光溫度越高，電壓約低時間越短，拋光強(qiáng)度越小，因此必須選擇合理的拋光溫度、拋光電壓以及拋光時間，以防止試樣出現(xiàn)拋光力度不足或過盛而無法對試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明首先利用電子束對基體材料表面進(jìn)行表面改性和表面形貌改善，并利用電子束的凈化作用對材料表面進(jìn)行清潔，并在材料表層產(chǎn)生位錯形成原子擴(kuò)散通道；然后形成的位錯層表面利用電刷鍍技術(shù)，刷鍍上耐磨、耐熱、抗腐蝕性能較好的cr層，cr層厚度為10μm～100μm；再對形成的電鍍層進(jìn)行退火處理，再結(jié)晶為超細(xì)晶/納米晶，促進(jìn)沉積元素擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層，使基體和涂層的機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)化為冶金結(jié)合，增強(qiáng)涂層和基體的結(jié)合力，具有冶金結(jié)合界面。

2、本發(fā)明工藝方法使得基體材料的表面獲得超細(xì)晶組織或者納米晶組織，基體材料的強(qiáng)度性能和韌性都得到明顯提高；基體材料表面的硬度大幅度提高，使得基體材料的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性以及抗黏著性更好。

3、本發(fā)明方法是利用脈沖電子束在金屬材料表層進(jìn)行清潔并產(chǎn)生位錯形成原子擴(kuò)散通道，再通過電刷鍍技術(shù)在金屬表面制備cr涂層，進(jìn)而對其進(jìn)行元素擴(kuò)散處理，形成具有冶金結(jié)合界面的超細(xì)晶/納米晶涂層。

4、本發(fā)明通過突破了現(xiàn)有的納米涂層制備工藝只能得到小面積、厚度薄的納米涂層的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了納米涂層可以大面積噴涂，同時還使得納米涂層的厚度可以達(dá)到10μm～100μm。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施1復(fù)合處理后40cr材料截面組織圖(電子顯微鏡圖)

圖2為本發(fā)明實(shí)施2復(fù)合處理后40cr材料40cr截面組織圖(電子顯微鏡圖)。

圖中，a為界面，b為外層晶粒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種超細(xì)晶/納米晶cr涂層的復(fù)合制備方法，包括如下步驟：

1)將調(diào)質(zhì)40cr材料試樣切割成25mm×20mm×5mm的試樣，再先依次選用240#、400#、600#、800#的砂紙進(jìn)行干磨，再用1000#，1200#，1500#，2000#，3000#砂紙進(jìn)行水磨，而后在sb-100d超聲波清洗機(jī)下分別用丙酮和酒精各清洗12分鐘；

2)將步驟1)中清洗后的試樣進(jìn)行吹干后，在lodestardcpowersupplylp3005d和85-2恒溫磁力攪拌器設(shè)備下對試樣進(jìn)行電解拋光；拋光液由11wt％高氯酸和89wt％乙醇組成，拋光電壓為25v，拋光溫度為-25℃，拋光時間為1min；

3)將步驟2)中拋光處理后的試樣取出用水沖洗后置于電子束真空室內(nèi)，抽真空直至真空度達(dá)到6.5×10-3pa后停止，然后通入高純氬氣，啟動電子束設(shè)備，設(shè)置脈沖次數(shù)50次，加速電壓27kv；利用電子束對基體材料表面進(jìn)行表面改性和表面形貌改善，同時利用電子束的凈化作用對材料表面進(jìn)行清潔，并在基體材料表面上產(chǎn)生位錯形成原子擴(kuò)散通道；

4)將步驟3)中得到的試樣在mbpk-50a刷鍍電源下進(jìn)行電刷鍍預(yù)處理，首先用電凈液對試樣清洗25s，選擇工作電壓為11v，工件接負(fù)極，其次用活化1號試劑在11v電壓下對試樣清洗45s，此時工件接正極；再用活化3號在13v電壓下對試樣清洗23s。預(yù)處理完成后試樣接負(fù)極，在工作電壓為11v下，在試樣的表面刷鍍鉻15s，再在工作電壓為11v是，試樣的表面刷鍍鉻35min，經(jīng)zeisssigmahd場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察可見，cr涂層的厚度約為40μm；

5)將步驟4)中刷鍍后的試樣在超聲波清洗機(jī)中用丙酮清洗10min后拿出(超聲波清洗作用是清洗電刷鍍試樣表面的殘余污垢)。

并吹干，再放入箱式爐中進(jìn)行900℃退火，保溫時長為1h，之后隨爐冷卻。掃描電鏡觀察晶粒大小，從圖1(a為界面，b為外層晶粒)可以看出，經(jīng)過實(shí)施例1復(fù)合工藝處理之后的試樣表面上形成納米晶，納米晶的粒度約為100nm，通過對試樣表面的硬度進(jìn)行檢測，得出經(jīng)過實(shí)施1復(fù)合工藝處理之后的試樣表面的硬度約為424hv0.2。

實(shí)施例2

一種超細(xì)晶/納米晶cr涂層的復(fù)合制備工藝，包括如下步驟：

1)將調(diào)質(zhì)40cr齒輪材料試樣切割成25mm×20mm×5mm的試樣，再先依次選用240#、400#、600#、800#的砂紙進(jìn)行干磨，再用1000#，1200#，1500#，2000#，3000#砂紙進(jìn)行水磨，而后在sb-100d超聲波清洗機(jī)下分別用丙酮和酒精各清洗10分鐘；

2)將步驟1)中清洗后的試樣進(jìn)行吹干后，在lodestardcpowersupplylp3005d和85-2恒溫磁力攪拌器設(shè)備下對試樣進(jìn)行電解拋光；拋光液由10wt％高氯酸和90wt％乙醇組成，拋光電壓為20v，拋光溫度為-30℃，拋光時間為1min；

3)電解拋光完畢后迅速取出試樣并用大水沖洗，再用酒精清洗后吹干并放入ritm-2m電子束設(shè)備的真空室中，抽真空，直至真空度達(dá)到6.5×10-3pa，通入高純氬，啟動電子束設(shè)備，設(shè)置脈沖次數(shù)50次，加速電壓27kv；

4)取出試樣并在mbpk-50a刷鍍電源下對齒輪材料進(jìn)行電刷鍍預(yù)處理。首先用電凈液對試樣進(jìn)行20s清洗，選擇電壓為12v，工件接負(fù)極，其次用活化1號試劑在10v電壓下對試樣進(jìn)行50s清洗，此時工件接正極，再用活化3號在12v電壓下對試樣進(jìn)行20s清洗，預(yù)處理完成后試樣接負(fù)極，在12v，12s下刷鍍鉻，再在10v，10min刷鍍cr，cr層厚度約為40μm。

5)刷鍍完畢后將試樣放入超聲波清洗機(jī)中用丙酮清洗10min后拿出，并吹干，再放入箱式爐中進(jìn)行1100℃退火，保溫時長為0.5h，之后隨爐冷卻。經(jīng)測試，利用本發(fā)明復(fù)合處理的試樣表面形成納米晶，從圖2(a為界面，b為外層晶粒)可以觀察到涂層區(qū)域出現(xiàn)新的分層，第一層厚度約為8μm，第二層厚度約為11μm，第三層(擴(kuò)散層)，厚約為5μm，第三層與第二層的結(jié)合良好，沒有明顯的缺陷。涂層厚度共約24μm。形成的涂層里鉻元素和鐵元素發(fā)生擴(kuò)散，形成合金化合物，使基體和涂層的機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)化為冶金結(jié)合，增強(qiáng)涂層和基體的結(jié)合力，涂層表面硬度高達(dá)1325hv0.2。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。