[发明专利]一种钢材表面无氢复合改性层的制备方法

说明书

本发明公开了一种钢材表面无氢复合改性层的制备方法，该方法为：一、预处理：对钢基工件的表面进行预处理；二、渗钛：将经预处理后的钢基工件置于双层辉光等离子渗金属设备的真空室的工件极载物台上，以纯钛板为源极，所述钢基工件为工作极，进行渗钛；三、渗碳：渗钛结束后，将源极更换为高纯石墨，进行渗碳，渗碳结束后停止加热钢基工件在钢基工件沉积1～100min形成碳沉积层，最终在钢基工件的表面形成无氢复合改性层。本发明在钢基工件表面制备由无氢的碳化钛、铁素体、碳化体以及游离碳组成的无氢复合改性层，这种无氢复合改性层具有耐磨、减磨作用，该方法环境友好，且可由一台双层辉光等离子渗金属设备实现，可靠性高、制备成本低。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种钢材表面无氢复合改性层的制备方法。

背景技术

碳化钛具有高熔点、高硬度及高耐磨和耐蚀性，广泛用作各种耐磨部件和零件，也广泛用于部件和零件的耐磨保护。对于钛零部件，其表面碳化钛层生成方式主要是在真空或低压下，采用扩渗方式在钛基体上原位生成碳化钛，为避免氢脆隐患，“一种钛表面辉光离子无氢渗碳工艺方法”发明专利(公开号为CN 1451779A)中采用辉光等离子渗碳的方法在钛及钛合金表面生成无氢渗碳层，同时发明专利ZL 200710188530.3、ZL 201210199053.1中公开了采用碳氧共渗的方式在钛合金表面生成碳化钛，同时生成氧化钛，来调节渗层的硬度，最终形成碳化钛和氧化钛的混合物渗层。

在非钛基体零部件的耐磨层碳化钛的制备，主要包括以下几种方法：①采用CVD的方法在零部件表面沉积碳化钛，利用TiCl₄，H₂和C之间的反应，即TiCl₄+2H₂+C＝TiC+4HCl，在保护部件上沉积TiC层。这种碳化钛的生成方法产生大量的HCl废气，对环境不友好。②物理气相沉积方法：专利号200810027473的发明专利“采用碳氮钛铬复合涂层表面处理高尔夫球头的方法”采用真空沉积的方式在高尔夫球头沉积4个膜层，分别是Ti/TiC(CrC)/TiN/非晶C膜，仅是沉积层，不涉及生成TiC，这种物理气相沉积膜层厚度为0.9μm，膜层薄。③采用注渗方式，专利号为CN03131784.7的发明专利“注渗碳化钛(TiC)－钢梯度材料制造技术”，采用的注渗的方法在钢的表面形成浓度呈梯度变化且具有一定深度的碳化钛注渗层。该专利没有涉及外表面具有自润滑的碳层。④采用喷涂方法可在钢基零部件表面沉积碳化钛，喷涂制备方法有电弧喷涂、等离子喷涂、超音速喷涂等方法，喷涂方法的优点制备涂层速度快、厚度可在几微米到几毫米之间根据实际进行控制，但喷涂层与基体的结合方式主要是机械结合，而非冶金结合，结合性能相对较差。

上述方法在非钛基体零部件制备碳化钛，虽然得到一定的应用，但其存在一些不足，如采用CVD制备碳化钛的方法对环境不友好，物理气相沉积的方法制备碳化钛层薄，而且单一的碳化钛涂层与钢铁基膨胀系数的差别，涂层容易失效。采用注渗的方法制备速度慢，采用方法获得的喷涂层与基材结合性能较差。

碳化钛硬度高，耐磨性好，有着广泛的应用，碳化钛涂层难以制备，而氮化钛涂层易于制备，刀具等需要耐磨处理的部件大多采用氮化钛涂层，TiN硬度约为2000～2500HV，TiC硬度约为2600～3100HV，TiN与钢对磨的摩擦系数为0.56，TiC与钢的对磨系数为0.27，对比可见碳化钛涂层相比氮化钛涂层具有优势。因此，急需在非钛基体零部件的表面制备耐磨层碳化钛的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种钢材表面无氢复合改性层的制备方法。该制备方法针对现有的CVD、PVD等技术的不足，利用钛表面辉光等离子渗制备碳化钛渗层这一技术，结合基体的实际耐磨要求，可在钢基零部件表面制备无氢的碳化钛、铁素体、碳化体以及游离碳组成的无氢复合改性层，这种无氢复合改性层具有耐磨、减磨的作用，本发明的制备方法对环境友好，且可由一台双层辉光等离子渗金属设备实现无氢复合改性层的制备，可靠性高、制备成本低。