鋼鐵、鈦合金低溫脈沖離子氮碳共滲及陰極電弧離子鍍m/mn交替鍍厚膜工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料表面技術(shù)領(lǐng)域，涉及到低溫脈沖離子氮碳共滲及陰極電弧離子鍍M/MN交替鍍厚膜工藝，制備工件表面耐磨層的硬度呈緩和過(guò)渡分布的氮碳共滲層+M/MN交替復(fù)合厚膜層；M代表Cr、或T1、或Al、或CrTiAl:N代表氮?dú)饣騈H3:MN代表CrN、或TiN、或A1N、或 CrTiAIN。
【背景技術(shù)】
[0002]目前電鍍硬鉻工藝方法:上掛具-化學(xué)除油一水洗-干燥-予熱-陽(yáng)極處理-沖擊電流-電鍍鉻-水洗-烘干-檢驗(yàn)-包裝-入庫(kù)，電鍍工藝存在問(wèn)題是:使用酸堿鹽嚴(yán)重污染環(huán)境，電鍍過(guò)程中產(chǎn)生六價(jià)鉻，對(duì)人體有害，電鍍膜與工件3之間沒(méi)有過(guò)渡層，影響附著性。
[0003]目前陰極電弧離子鍍膜工藝可鍍制金屬間化合物MN硬度均可達(dá)2000HV，而工件3基材硬度為200?300Hv，二者硬度相差太大，工件3在服役中硬鍍膜易脫落，達(dá)不到生產(chǎn)要求，脈沖離子氮碳共滲可制備硬度為1200HV改性層，用它做為工件3與硬鍍膜之間過(guò)渡層；目前制備工件3表面耐磨層硬度呈緩和過(guò)渡厚膜層的工藝是:工件3首先在脈沖離子氮碳共滲制備改性層后，取出工件，再經(jīng)清洗烘干，裝進(jìn)陰極電弧離子鍍爐中鍍制硬膜工藝操作，存在問(wèn)題是:鍍膜質(zhì)量受影響尤其附著性，增加加工時(shí)間，生產(chǎn)成本提高；本發(fā)明脈沖離子氮碳共滲陰極電弧離子鍍M/MN交替鍍厚膜工藝，脈沖離子氮碳共滲制備改性層及陰極電弧離子鍍膜工藝在一個(gè)裝置內(nèi)完成，可以解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鋼鐵、鈦合金脈沖離子氮碳共滲陰極電弧離子鍍M/MN交替鍍?cè)诤衲すに?，解決電鍍硬鉻工藝的對(duì)環(huán)境有污染；在一臺(tái)裝置中同時(shí)能完成脈沖離子氮碳共滲及陰極電弧離子鍍硬膜工藝操作，能制備工件3表面耐磨層硬度呈緩和過(guò)渡的氮碳共滲層+M/MN交替復(fù)合厚膜層，防止硬鍍膜層在服役中脫落。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案是:工件3先進(jìn)行脈沖離子氮碳共滲制備改性層，然后進(jìn)行陰極電弧離子鍍制備硬鍍膜工藝操作，能得到工件3表面氮碳共滲層+M/MN交替復(fù)合耐磨層硬度分布是:基材硬度為300?200Hv，脈沖氮碳共滲后制備改性層硬度可達(dá)400?ΙΙΟΟΗν，厚度40?150 μ m，陰極電弧離子鍍MN鍍層硬度1300?2000Hv，厚度20?80 μ m，可防止硬鍍膜層在服役中崩落；陰極電弧離子鍍M鍍膜與改性層之間形成I?3 μπι過(guò)渡層，提高鍍膜的附著性；陰極電弧離子鍍M和麗交替多層鍍工藝，陰極電弧離子鍍M鍍膜可部份吸收MN鍍膜過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力，減少工件變形，鍍膜不易脫落，調(diào)節(jié)陰極電弧離子鍍M膜層厚度改變膜層硬度；工件3經(jīng)冷軋或冷拔成型及形狀複雜易變形工件在加熱工序中350?450°C保溫2.5?4h進(jìn)行消除應(yīng)力退火；對(duì)易變形工件3在鍍膜完成爐冷時(shí)350°C?450°C保溫2.5?4h，充分消除鍍膜過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力。
[0006]本發(fā)明的效果和益處是:解決電鍍硬鉻對(duì)環(huán)境污染；鈦合金硬度不高耐磨性不足，；能制備工件表面耐磨層硬度呈緩和過(guò)渡氮碳共滲層+M/MN交替復(fù)合厚膜層，服役硬鍍膜層中不易脫落；本發(fā)明制備耐磨厚鍍膜應(yīng)用廣泛，所有鋼鐵、鈦合金工件如模具、夾具、機(jī)床零部件、化工機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、機(jī)車、軸類、桿件、缸套、活塞環(huán)、進(jìn)排氣伐、紡織機(jī)械、航天、航空、石油化工、電力、通訊、汽車、醫(yī)療、船舶等領(lǐng)域。
[0007]本發(fā)明工藝過(guò)程:
[0008]步驟一:工件3材質(zhì)為鋼鐵或鈦合金，經(jīng)拋光超聲波清洗烘干后，裝入真空室I中。
[0009]步驟二:抽真空
[0010]真空室I抽真空4，真空度達(dá)到(I?3)X10_4Pa。
[0011]步驟三:工件3加熱
[0012]工件3加熱表面清除油污及活化，對(duì)工件3經(jīng)冷軋或冷拔成型及工件形狀複雜易變形進(jìn)行消除應(yīng)力退火，減少工件變形，開(kāi)動(dòng)加熱裝置8，工件3加熱由室溫加熱至350°C?4500C，緩慢加熱防止工件3在加熱過(guò)快產(chǎn)生應(yīng)力，對(duì)工件3經(jīng)冷軋或冷拔成型及形狀極其複雜進(jìn)行350 °C?450°C保溫2.5_4h消除應(yīng)力退火。
[0013]步驟四:低溫脈沖離子氮碳共滲制備改性層
[0014]工件3表面整體硬度呈緩和過(guò)渡，可減少離子鍍MN鍍膜時(shí)間，又可防止鍍膜層崩落，
[0015]真空室I真空度調(diào)至50?70Pa，通入氨氣9，關(guān)閉氬氣7，真空度調(diào)至800Pa?
1.6KPa,開(kāi)通脈沖氮碳共滲電源6，工件3施加300?400V，工件3起輝，通入丙酮、或乙醇、或丙烷、或C029，丙酮流量與氨氣或N2+H2流量比為1:9，真空度400?800Pa，工件3溫度350°C~ 500°C，保溫電壓400V?900V,脈沖時(shí)間1.5?2.5min，保溫時(shí)間2?8h。
[0016]步驟五:工件3濺射清洗
[0017]進(jìn)一步清除工件3表面不潔凈物質(zhì)，
[0018]通入氬氣(Ar) 7，真空度調(diào)至I?5Pa，開(kāi)動(dòng)脈沖負(fù)偏壓電源5，工件3上施加電壓-1000V，占空比20%?30%，工件3溫度350°C?450°C，濺射清洗時(shí)間10?20min。
[0019]步驟六:制備過(guò)渡層
[0020]陰極電弧源屏蔽板打開(kāi)，
[0021]改性層與離子鍍M膜層之間形成I?3 μπι厚度的過(guò)渡層，提高鍍膜附著性，
[0022]真空室I抽真空4，通入氬氣(Ar) 7，真空度調(diào)至(3?5) XKT1Pa,開(kāi)動(dòng)陰極電弧源2電流為100Α?200Α，電壓20V，M原子沉積在工件3表面上，開(kāi)動(dòng)脈沖負(fù)偏壓電源5，工件3施加電壓-200V，占空比10?30%，時(shí)間I?2min — -400V占空比10?30%時(shí)間I?2min — -600V占空比10?30%時(shí)間I?2min — -(800?1500) V占空比10?30%時(shí)間8?15min — -300V占空比10?30%時(shí)間2?4min,工件3溫度350°C?450°C。
[0023]步驟七:陰極電弧離子鍍麗
[0024]通入氮?dú)?N2) 7，真空度調(diào)至I?5Pa，開(kāi)動(dòng)陰極電弧源2電流為100A?200A，電壓20V，從靶材上噴射出高能粒子M與氮離子(N+)相互作用形成MN沉積在工件3表面上，開(kāi)動(dòng)脈沖負(fù)偏壓電源5，工件3施加電壓-100V-300V，占空比30%?70%，鍍膜時(shí)間20?50min，工件3溫度350 °C?450 °C.仃止送入氮?dú)狻?br>[0025]步驟八:陰極電弧離子鍍M與麗交替鍍膜
[0026]1.陰極電弧離子鍍M鍍膜
[0027]離子鍍M鍍膜部份吸收MN鍍膜時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，減少工件變形，鍍膜不易脫落，又可通過(guò)離子鍍M厚度調(diào)節(jié)膜層硬度真空室I真空度調(diào)至在(3?SUKT1Pa,通入氬氣(Ar) 7，開(kāi)動(dòng)陰極電弧源2電流為100A?200A，電壓20V，從陰極電弧源2靶材上濺射出高能量粒子M，沉積在工件3表面上，開(kāi)動(dòng)工件脈沖負(fù)偏壓電源5，工件3施加電壓-100V?-300V，占空比20%?70%，鍍膜時(shí)間O?1min,工件3溫度350°C?450°C，仃止通氬氣
[0028]2.陰極電弧離子鍍麗
[0029]通入氮?dú)?N2) 7，真空度調(diào)至I?5Pa，開(kāi)動(dòng)陰極電弧源電源2電流為10A?200A，電壓20V，從靶材上噴射出高能粒子M與氮離子(N+)相互作用形成MN沉積在工件3表面上，開(kāi)動(dòng)脈沖偏負(fù)壓電源5，工件3施加電壓-1OOV?-300V，占空比30%?70%，鍍膜時(shí)間20?60min，工件3溫度350°C?450°C，仃止送入氮?dú)?。陰極電弧離子鍍M與MN交替鍍膜次數(shù)由鍍膜工藝要求而定。
[0030]步驟九:陰極電弧離子鍍麗，
[0031]通入氮?dú)?N2) 7，真空度調(diào)至I?5Pa，開(kāi)動(dòng)陰極電弧源電源2電流為10A?200A，電壓20V，從靶材上噴射出高能粒子M與氮離子(N+)相互作用形成MN沉積在工件3表面上，開(kāi)動(dòng)工件3脈沖偏負(fù)壓電源5，工件3施加電壓-1OOV?-300V，占空比30%?70%，鍍膜時(shí)間60?120min，工件3溫度350 °C?450 °C，仃止送入氮?dú)狻?br>[0032]步驟十:爐冷
[0033]對(duì)易變形工件3可在350°C?450°C保溫2.5?4h，充分消除鍍膜過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力，待爐溫降至80°C出爐。
[0034]步驟^^一:質(zhì)量檢查，合格入庫(kù)。
【附圖說(shuō)明】
[0035]附圖低溫脈沖離子氮碳共滲及陰極電弧鍍裝置示意圖。
[0036]圖中真空室；2陰極電弧源電源；3工件；4抽真空；5脈沖負(fù)偏壓電源；6脈沖離子氮碳共滲電源；7通入Ar、N2;8加熱裝置；9通入氨、丙酮(或乙醇、或丙烷、或CO 2)。
【具