[发明专利]一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层及其制备方法，尤其涉及能够在瞬时脉冲高温以及机械磨损作用下，仍然能够保持较好的耐烧蚀磨损性能的铬钽梯度涂层。

背景技术

许多工业领域中，如机械加工、航空航天、军事等使用的材料，经常处于较为苛刻的工作环境，如腐蚀、瞬时高温、高载荷、高速度等。例如发动机活塞环，汽缸内燃料燃烧使温度最高可达2500K以上，活塞环由于热膨胀而产生热应力；活塞环在上下止点之间进行高频率的往复运动，速度在0～30m/s大幅度变化，承受较大的冲击；活塞上下往复运动时缸套对活塞环产生径向压力，以及压缩气体产生的反向压力加上热应力等使接触面压强高达5～10MPa。对于，一些超硬切削工具，在使用过程中，其表面瞬时温度高达几百度甚至上千度。另外，对于在军事领域中常使用的火炮，在射击时，火药燃烧生成大量的气体，使炮膛内达到很高的温度（2500-3800K）和压力（140-500MPa），很容易造成炮管的烧蚀磨损。这些苛刻工作环境，都对材料的耐高温烧蚀磨损的性能提出了较高的要求。

镀铬是目前广泛使用的耐烧蚀磨损涂层技术，在活塞环和火炮炮管等器件上都得到了广泛的应用，但是随着服役工况的更加严苛，镀铬层固有微裂纹容易扩展最后导致涂层脱落。难熔金属钽的熔点高达3000℃，机械性能较好。在高温下，钽及其氧化物和碳化物的耐烧蚀磨损性能仍然较好，其良好的高熔点特性与耐腐蚀性能以及良好的机械性能，使其在高温合金、硬质合金、化工容器等方面具有十分广泛的应用前景，可用于制作抗热震、摩擦小的超硬切削工具和高温结构材料。

双辉光等离子渗金属技术在钢表面获得了难熔金属Ta的沉积层，但是由于钽与铁的原子半径相差较大、电负性相差较大，不易于形成钽铁扩散层，难以获得具有较好界面的钽涂层。

发明内容

本发明的目的在于一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层及其制备方法。

实现本发明的技术解决方案是：

一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层，以中碳CrNiMo钢为基体，含有稀土Ce 添加的铬层为中间层，钽层为表面层。

铬层厚度为5-20μm；钽层厚度为5-20μm。

一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层的制备方法，包括如下步骤：

（1）将中碳CrNiMo钢在含有稀土添加的镀铬溶液中进行电镀，其中，

稀土添加的镀铬溶液组分如下：100~150g/L CrO₃，1~1.5g/L H₂SO₄，2~2.45g/L Cr³⁺，0.5~1g/L Ce(NO₃)₃；

（2）利用双辉光等离子渗金属工艺制备渗钽涂层，其中，

以镀有铬层的中碳CrNiMo钢试样为阴极，99.9%以上的高纯钽靶为源极，置放于真空室，首先抽真空至3~5Pa，然后通氩气压到35~40Pa，源极电压700~800V，工件电压350~400V，反应时间3~4h。

进一步的，步骤（1）中，阳极为石墨电极，电镀温度50°C~60°C，电镀时间5~10h，电流密度80~100mA/cm²。

本发明的有益效果：

（1）含有稀土添加的镀铬层作为中间层，提高了双辉光等离子渗钽涂层与钢基体的结合性能。

（2）铬与钽更为接近的原子半径和电负性使得铬钽扩散层容易形成，在成分上存在梯度变化，这种冶金结合也提高了铬钽的结合强度。

（3）铬中间层硬度高，起硬质支撑作用，耐磨性高；其表面的钽层韧性好，在瞬时脉冲高温热冲击和机械磨损作用下涂层不易剥落，耐烧蚀磨损性能好。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层的EDS线扫描测试，（a）为铬钽梯度涂层截面显微形貌；（b）为涂层中钽、铁、铬元素成分分布曲线。

图2为本发明实施例1中一种中碳CrNiMo钢表面铬钽梯度涂层的结合力测试，（a）为铬钽梯度涂层结合力测试曲线；（b）为划痕显微形貌的金相图。

具体实施方式

以下列举实施例对本发明进行进一步具体说明：

实施例1