[发明专利]一种金属材料表面渗氮沉积复合减摩耐磨改性层制备方法

说明书

本发明公开了一种金属材料表面渗氮沉积复合减摩耐磨改性层的制备方法，属于金属材料表面处理技术领域。将金属材料工件表面磨平、抛光、清洗后，放置于空心阴极放电离子源渗氮炉内的阳极电位台上，炉内抽真空到10‑15Pa，充入氨气并维持工作气压100‑500Pa，在440‑520℃保温氮化8h，冷却后得到渗氮沉积复合减摩耐磨改性层。试样处于阳极电位，无需离子轰击，氮原子也可渗入奥氏体基体形成渗氮强化层，有效避免了边缘效应问题，整个表面的硬度是均匀的；金属工件经阳极渗氮后，表面形成了渗氮沉积层，减摩耐磨性能明显提升。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种金属材料表面渗氮沉积复合减摩耐磨改性层制备方法。

背景技术

奥氏体不锈钢由于表面存在致密的钝化膜层，在氧化性介质具有优异的耐腐蚀性能。但是由于其表面硬度低和耐磨性差，导致在实际应用中，因磨损严重而失效。氮化作为改善奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性的重要工程技术得到广泛应用。低温离子渗氮技术处理AISI 316奥氏体不锈钢，氮化物析出被完全抑制，获得了单一相的渗氮层。XRD表明原始奥氏体基体衍射峰向低角度偏移，形成新的较宽的衍射峰。在ASTM卡片中无法找到该相，故把此新相称之为S相。S相的发现使得在提高不锈钢硬度和耐磨性能的同时，不降低其原有的耐蚀性成为可能。

在常规直流离子渗氮(DCPN)过程中，离子轰击可以消除表面钝化层，无需去钝处理。但因工件几何形状导致其电场分布差异，导致离子轰击程度不同，进而造成工件表面温度的不均匀性，最后存在工件表面传热传质的差异。AISI316L不锈钢在DCPN渗氮过程造成的“边缘效应”问题，圆环区域硬度明显高于中心区域，但耐腐蚀性能较差，显微组织结构表明圆环处的为Cr2N相，而中心区域为S相。

为克服DCPN技术中的缺点，活性屏离子渗氮技术(ASPN)被发明出来。在ASPN渗氮过程中，工件处于悬浮状态，离子不再轰击工件表面，所以DCPN中的表面打弧、边缘效应等问题就迎刃而解。ASPN技术具有设备简单和操作方便等优势，成为离子渗氮研究领域的热点。

发明内容

本发明针对常规直流离子渗氮技术的不足，提供了一种金属材料表面渗氮沉积复合减摩耐磨改性层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将金属材料工件表面磨平、抛光，用酒精清洗后，放置于空心阴极放电离子源渗氮炉内的阳极电位台上；

(2)启动抽真空系统对渗氮炉抽真空，当炉内真空度达到10-15Pa时，向真空炉内充入净化过的氨气，使氨气均匀分布在整个渗氮炉内，调节氨气的流量，使炉内的压强保持100-500Pa；

(3)打开供电系统的电源，炉内的氨气在高压电场的作用下发生电离形成NH_j⁺、N⁺和H⁺等离子体，到达所渗氮温度后，开始计算保温时间；

(4)保温结束后，切断电源，维持低压，使工件在氨气气氛中随炉冷却，待温度降到200℃以下出炉，得到渗氮沉积复合减摩耐磨改性层。

步骤(1)所述金属材料为AISI304奥氏体不锈钢，其组成为：C 0.05wt％；Si0.80wt％；Mn 1.50wt％；Cr 17.5wt％；Ni 9.50wt％；Mo 0.013wt％；T i 0.011wt％；余量为Fe。

步骤(1)所述空心阴极放电离子源渗氮炉采用脉冲电源，炉壁作为阳极，空心不锈钢管阵作为放电阴极，其中，空心不锈钢管直径为8～10mm。

步骤(3)所述渗氮温度440-520℃，保温时间8h。

步骤(4)所述渗氮沉积复合减摩耐磨改性层的厚度为6-16μm。