本發(fā)明涉及金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法。

　　背景技術(shù)：

　　奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性能和耐高溫性能，其被廣泛應(yīng)用與各種工業(yè)領(lǐng)域。但是由于奧氏體不銹鋼的硬度較低，耐磨性較差，表面容易出現(xiàn)劃傷和磨損的現(xiàn)象，因此在一些對(duì)耐磨性要求較高的領(lǐng)域，其應(yīng)用受到一定的限制，為了提高奧氏體不銹鋼的耐磨損性能，國內(nèi)外學(xué)者多年來在不銹鋼表面進(jìn)行了各種改性處理和強(qiáng)化研究，例如采用滲氮、滲碳、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、離子注入、熱噴涂等。

　　滲氮和滲碳作為比較常用的技術(shù)，滲碳通常在850-890℃進(jìn)行，滲氮在500-600℃進(jìn)行，其能夠在不銹鋼的表面形成碳化物和氮化物層，從而提高了硬度和耐磨性，但是對(duì)于奧氏體不銹鋼而言，在該溫度條件下，同樣會(huì)生產(chǎn)碳化鉻和氮化鉻，從而消耗了奧氏體不銹鋼中的鉻元素，使其耐腐蝕性能大幅度降低。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　有鑒于此，本發(fā)明提出了一種能夠提高硬度和耐磨性，同時(shí)不會(huì)降低耐腐蝕能力的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法。

　　本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，包括如下步驟：

　　步驟一、將不銹鋼制品置于超聲波清洗機(jī)中歐諾個(gè)清洗5-10min，超聲波清洗機(jī)中注入的為去離子水，不銹鋼制品浸沒在去離子水中，清洗完畢，用高壓氮?dú)獯蹈刹讳P鋼制品；

　　步驟二、將吹干的不銹鋼制品置于真空室中，采用涂層粉末包埋不銹鋼制品，優(yōu)選的，將不銹鋼制品置于耐高溫容器中，容器內(nèi)填充涂層粉末，不銹鋼制品包埋在涂層粉末內(nèi)，用振動(dòng)振實(shí)太將涂層粉末振實(shí)，振動(dòng)時(shí)間為1-2min；

　　步驟三、將真空室加熱至200℃，抽真空處理后通入反應(yīng)氣體置換，抽真空處理抽至真空室內(nèi)壓力不超過10kpa；

　　步驟四、反應(yīng)氣體置換完畢，將真空室加熱至600-800℃，保溫5-10h；

　　步驟五、步驟四保溫反應(yīng)完畢后將真空室加熱至900-1000℃，保溫5-10h；

　　步驟六、步驟五保溫反應(yīng)完畢后，待真空室降溫至室溫后，取出不銹鋼制品，將不銹鋼制品放入激光照射室內(nèi)，使用保護(hù)氣對(duì)激光照射室內(nèi)氣體進(jìn)行置換，置換完畢，用激光束對(duì)不銹鋼制品的表面進(jìn)行照射處理。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述涂層粉末包括以下質(zhì)量比的組分，供碳氮?jiǎng)汗┿t劑：促滲劑：填充劑＝(10-22)：(40-60)：(1-5)：(30-45)。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述供碳氮?jiǎng)楣虘B(tài)有機(jī)物粉體。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述固態(tài)有機(jī)物為聚氯乙烯、聚四氟乙烯和三聚氰胺中的一種或幾種的混合物。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述供鉻劑為金屬鉻粉、鉻鐵粉和三氧化二鉻中的一種或幾種的混合物。

　　更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述促滲劑為鹵素銨鹽。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述促滲劑為氯化銨、氟化銨和碘化銨中的一種或幾種的混合物。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述填充劑為煅燒三氧化二鋁、鋁礬土和高鋁陶土中的一種或幾種的混合物。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟三中，所述反應(yīng)氣體包括氨氣以及氮?dú)狻錃?、一氧化碳和二氧化碳中的一種或幾種的混合氣。

　　在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟六中，所述激光束的照射功率為2-10kw，所述激光束的掃描速度為5-8mm/s，所述激光束的光斑直徑為2-5mm。

　　以上技術(shù)方案中，當(dāng)升溫至600-800℃時(shí)，涂層粉末受熱分解，釋放出活性的碳原子和氮原子，兩種活性原子在此溫度下經(jīng)擴(kuò)散滲入奧氏體不銹鋼制品的表面，從而形成富碳層和富氮層；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至900-1000℃時(shí)，涂層粉末進(jìn)一步分解出活性的鉻原子，鉻原子滲入奧氏體不銹鋼表面，并與富碳層和富氮層反應(yīng)，從而形成碳化鉻和氮化鉻金屬陶瓷，然而形成的陶瓷層相對(duì)獨(dú)立，雖然具有良好的硬度，但是其耐腐蝕性相對(duì)較差，因此采用激光照射處理，通過激光照射快速形成局部的熔融區(qū)，使外層的金屬陶瓷層與內(nèi)側(cè)的奧氏體不銹鋼相互混溶形成混合層，金屬陶瓷層提供良好的機(jī)械性能，同時(shí)奧氏不銹鋼層則提供更好的耐腐蝕性能，作為激光束照射優(yōu)選的方案，激光束采用多道掃描，沒到掃描相互之間不接觸，掃描軌跡之間形成光斑直徑1/3-1/2的間隙。

　　本發(fā)明的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

　　(1)本發(fā)明的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法克服了常規(guī)表面硬化處理帶來的降低其腐蝕性的問題，利用高溫離子氛圍滲透對(duì)工件的表面附著一層高碳氮的陶瓷層，再利用激光束進(jìn)行表面的熱溶處理，使內(nèi)部的金屬與表面的陶瓷層發(fā)生結(jié)構(gòu)的蓋板，形成交錯(cuò)的陶瓷和金屬結(jié)構(gòu)層，從而是表面涂層同時(shí)具備奧氏體不銹鋼本身的耐腐蝕性能，同時(shí)又具備陶瓷層的力學(xué)性能；

　　(2)本發(fā)明的涂層方法操作簡單，且使用的原料可以進(jìn)行回收再利用，形成的工件的表面具有良好的外觀形態(tài)和機(jī)械性能，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

　　具體實(shí)施方式

　　下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施方式，而不是全部的實(shí)施方式。基于本發(fā)明中的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

　　實(shí)施例1

　　材質(zhì)為316ti的不銹鋼小軸，尺寸單件重量約6.5g，要求表面硬度≧950hv0.05，硬化層深度15～35μm，工作環(huán)境為渦輪增壓器燃燒室。按以下步驟對(duì)小軸進(jìn)行表面硬化滲覆處理：

　　稱取75g聚氯乙烯粉末、125g三聚氰胺粉末、450g鉻粉、350g鉻鐵粉、100g氯化銨和900g氧化鋁粉末，投入到混料機(jī)中充分?jǐn)嚢?min，混合均勻后待用；

　　取200件不銹鋼小軸，放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中清洗5min，清洗完畢，用氮?dú)獯蹈桑?/p>

　　將吹干后的不銹鋼小軸與混合均勻的涂層粉末混合并裝入鐵桶中，將鐵桶放在振動(dòng)振實(shí)臺(tái)上振實(shí)1min；

　　振實(shí)完畢，將鐵桶蓋合壓緊，并放入真空室內(nèi)，將真空室加熱至200℃，同時(shí)對(duì)真空室進(jìn)行抽真空處理，抽至內(nèi)部壓力不超過10kpa，向內(nèi)通入氨氣和氮?dú)獾幕旌蠚膺M(jìn)行置換5min，置換完畢保持氨氣管道暢通；

　　將真空室加熱至600℃，保溫5h，保溫完畢繼續(xù)升溫至900℃，再保溫5h；

　　保溫完畢，降溫至室溫，取出鐵桶，并取出內(nèi)部的不銹鋼小軸，用氮?dú)獯瞪⑵浔砻鏆埩舻耐繉臃勰?，將不銹鋼小軸放入激光照射室內(nèi)，使用氮?dú)鈱?duì)激光照射室內(nèi)部進(jìn)行氣體置換，置換5min，用2kw的co2激光器對(duì)不銹鋼小軸的表面進(jìn)行激光照射，激光束的光斑直徑為2mm，激光束的掃描速度為5mm/s，相鄰兩個(gè)掃描軌道之間間隔1mm，掃描完畢得到表面覆蓋有金屬陶瓷涂層的不銹鋼小軸。

　　經(jīng)過上述處理步驟后，銷軸的表現(xiàn)得到銀灰色的鉻化合物金屬陶瓷硬化層，檢測(cè)得到硬化層的厚度為18-25μm，硬化層的硬度為1600-1850hv0.05；耐中性鹽霧1000h，表面無銹蝕痕跡，色澤也無變化，900℃高溫氧化試驗(yàn)20h，表面形成致密的黑褐色氧化膜，沒有脫皮和腐蝕現(xiàn)象，表層硬度無變化。

　　實(shí)施例2

　　材質(zhì)為310s(06cr25ni20)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂，工作溫度不低于900℃，滲碳后表面硬度1000hv0.05，實(shí)際使用壽命為10萬公里，采用以下步驟對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂進(jìn)行表面硬化滲覆處理：

　　稱取1500g三聚氰胺粉末、700g聚四氟乙烯粉末、4700g氧化鉻粉、100g氟化銨粉和3000g鋁礬土粉末，投入到混料機(jī)中充分?jǐn)嚢?min，混合均勻后待用；

　　將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中清洗10min，清洗完畢，用氮?dú)獯蹈桑?/p>

　　將吹干后的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂與混合均勻的涂層粉末混合并裝入鐵桶中，將鐵桶放在振動(dòng)振實(shí)臺(tái)上振實(shí)2min；

　　振實(shí)完畢，將鐵桶蓋合壓緊，并放入真空室內(nèi)，將真空室加熱至200℃，同時(shí)對(duì)真空室進(jìn)行抽真空處理，抽至內(nèi)部壓力不超過10kpa，向內(nèi)通入氨氣、氫氣和一氧化碳的混合氣體進(jìn)行置換5min，置換完畢保持氨氣管道暢通；

　　將真空室加熱至800℃，保溫10h，保溫完畢繼續(xù)升溫至1000℃，再保溫10h；

　　保溫完畢，降溫至室溫，取出鐵桶，并取出內(nèi)部的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂，用氮?dú)獯瞪⑵浔砻鏆埩舻耐繉臃勰瑢⑵嚢l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂放入激光照射室內(nèi)，使用氬氣對(duì)激光照射室內(nèi)部進(jìn)行氣體置換，置換5min，用10kw的co2激光器對(duì)不銹鋼小軸的表面進(jìn)行激光照射，激光束的光斑直徑為5mm，激光束的掃描速度為8mm/s，相鄰兩個(gè)掃描軌道之間間隔2mm，掃描完畢得到表面覆蓋有金屬陶瓷涂層的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂。

　　經(jīng)過上述處理后的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室閥臂表面形成銀白色光亮層，徑向檢測(cè)結(jié)構(gòu)顯示，表面具有白亮色的鉻化合物層和富碳單層的相互慘雜結(jié)構(gòu)，總厚度約40μm，經(jīng)檢測(cè)，表面的硬度達(dá)到1760-1850hv0.05，閥臂使用壽命延長至40萬公里。

　　實(shí)施例3

　　采用如下步驟對(duì)材質(zhì)為316l的閥球和閥座進(jìn)行表面金屬陶瓷覆層處理：

　　稱取75g聚氯乙烯粉末、75g三聚氰胺粉末、250g鉻粉、350g鉻鐵粉、30g碘化銨和400g高鋁陶土粉末，投入到混料機(jī)中充分?jǐn)嚢?min，混合均勻后待用；

　　將閥球和閥座放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中清洗5min，清洗完畢，用氮?dú)獯蹈桑?/p>

　　將吹干后的閥球和閥座與混合均勻的涂層粉末混合并裝入鐵桶中，將鐵桶放在振動(dòng)振實(shí)臺(tái)上振實(shí)1min；

　　振實(shí)完畢，將鐵桶蓋合壓緊，并放入真空室內(nèi)，將真空室加熱至200℃，同時(shí)對(duì)真空室進(jìn)行抽真空處理，抽至內(nèi)部壓力不超過10kpa，向內(nèi)通入氨氣和二氧化碳的混合氣進(jìn)行置換5min，置換完畢保持氨氣管道暢通；

　　將真空室加熱至700℃，保溫8h，保溫完畢繼續(xù)升溫至950℃，再保溫8h；

　　保溫完畢，降溫至室溫，取出鐵桶，并取出內(nèi)部的閥球和閥座，用氮?dú)獯瞪⑵浔砻鏆埩舻耐繉臃勰?，將閥球和閥座放入激光照射室內(nèi)，使用氮?dú)鈱?duì)激光照射室內(nèi)部進(jìn)行氣體置換，置換5min，用5kw的co2激光器對(duì)不銹鋼小軸的表面進(jìn)行激光照射，激光束的光斑直徑為3mm，激光束的掃描速度為6mm/s，相鄰兩個(gè)掃描軌道之間間隔1mm，掃描完畢得到表面覆蓋有金屬陶瓷涂層的閥球和閥座，將閥球和閥座的表面進(jìn)行研磨，使其表面粗糙度達(dá)到ra0.03的鏡面效果。

　　經(jīng)過上述處理后，球閥和球座的表面硬度達(dá)到1750hv0.2，使用壽命比噴焊硬質(zhì)合金涂層提高了5倍。

　　以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

　　技術(shù)特征：

　　1.一種在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟：

　　步驟一、將不銹鋼制品置于超聲波清洗機(jī)中清洗5-10min，清洗完畢，采用氮?dú)獯蹈桑?/p>

　　步驟二、將吹干的不銹鋼制品置于真空室中，采用涂層粉末包埋不銹鋼制品，并振動(dòng)1-2min；

　　步驟三、振動(dòng)完畢，將真空室加熱至200℃，抽真空處理并通入反應(yīng)氣體置換；

　　步驟四、將真空室加熱至600-800℃，保溫5-10h；

　　步驟五、將真空室加熱至900-1000℃，保溫5-10h；

　　步驟六、保溫完畢，降溫至室溫后取出不銹鋼制品，并將不銹鋼制品放入激光照射室內(nèi)，使用保護(hù)氣體對(duì)激光照射室內(nèi)氣體進(jìn)行置換，用激光束對(duì)不銹鋼制品的表面進(jìn)行照射處理。

　　2.如權(quán)利要求1所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，步驟二中，所述涂層粉末包括以下質(zhì)量比的組分，供碳氮?jiǎng)汗┿t劑：促滲劑：填充劑＝(10-22)：(40-60)：(1-5)：(30-45)。

　　3.如權(quán)利要求2所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述供碳氮?jiǎng)楣虘B(tài)有機(jī)物粉體。

　　4.如權(quán)利要求3所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述固態(tài)有機(jī)物為聚氯乙烯、聚四氟乙烯和三聚氰胺中的一種或幾種的混合物。

　　5.如權(quán)利要求2所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述供鉻劑為金屬鉻粉、鉻鐵粉和三氧化二鉻中的一種或幾種的混合物。

　　6.如權(quán)利要求2所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述促滲劑為鹵素銨鹽。

　　7.如權(quán)利要求6所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述促滲劑為氯化銨、氟化銨和碘化銨中的一種或幾種的混合物。

　　8.如權(quán)利要求2所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述填充劑為煅燒三氧化二鋁、鋁礬土和高鋁陶土中的一種或幾種的混合物。

　　9.如權(quán)利要求1所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，步驟三中，所述反應(yīng)氣體包括氨氣以及氮?dú)?、氫氣、一氧化碳和二氧化碳中的一種或幾種的混合氣。

　　10.如權(quán)利要求1所述的在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，其特征在于，步驟六中，所述激光束的照射功率為2-10kw，所述激光束的掃描速度為5-8mm/s，所述激光束的光斑直徑為2-5mm。

　　技術(shù)總結(jié)

　　本發(fā)明提出了一種在奧氏體不銹鋼表面制備金屬陶瓷涂層的方法，包括：清洗干燥、振實(shí)、預(yù)熱真空、升溫滲碳滲氮、升溫滲鉻和激光照射等步驟，通過高溫條件下對(duì)工件的表面滲碳氮以及鉻，從而形成表面陶瓷層，再通激光照射形成表現(xiàn)的金屬和陶瓷混合結(jié)構(gòu)，從而是表面涂層同時(shí)具有奧氏體不銹鋼的防腐蝕能力和陶瓷層的高機(jī)械強(qiáng)度，制備方法簡單，形成的涂層性能優(yōu)異，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

　　技術(shù)研發(fā)人員：張煉

　　受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢銘高新材料有限公司

　　技術(shù)研發(fā)日：2019.12.17

　　技術(shù)公布日：2020.05.08