改善不鏽鋼耐磨性的表面處理技術及其研究現狀, 分析了這些表面處理技術的優勢和侷限性, 指出綜合應用塗鍍技術和新興的表面改性技術將成為提高不鏽鋼耐磨性的發展方向。1、引言不鏽鋼閥門網。不鏽鋼由於具有良好的耐蝕效能, 在石油、化工、宇航、醫藥、造紙、原子能、海洋工程和裝飾工程領域得到了廣泛的應用。但是通常不鏽鋼的硬度較低(通常情況下為200～250Hv), 耐磨性較差, 表面易出現發花現象, 這不僅會影響裝飾性產品的美觀, 而且表面出現微劃痕時會形成腐蝕微電池, 從而降低產品的耐腐蝕效能, 導致產品過早報廢。以不鏽鋼為基體的傳動軸、齧合件或動配合件經常會因為不鏽鋼質軟不耐磨、表面強度低、摩擦係數大等因素髮生咬合或粘滯現象。為了提高不鏽鋼的耐磨性, 許多學者在不鏽鋼表面進行了各種處理和強化研究, 如利用化學鍍在不鏽鋼表面沉積耐磨鍍層, 能提高產品表面硬度,並保證產品的耐腐蝕效能。本文就塗鍍技術和表面改性處理在提高不鏽鋼表面耐磨性時的工藝侷限性和優勢作了簡要綜述, 並展望了改善不鏽鋼耐磨性的發展方向。2、不鏽鋼表面塗鍍技術2.1、化學鍍化學鍍是 1947年由A.Brenner和G.Riddell提出的沉積非粉末狀鎳的鍍膜方法, 該方法是一種沉積金屬的、可控制的、無外加電源的氧化還原反應過程。相對於電鍍, 化學鍍有如下優點:能在形狀複雜的零件表面沉積均勻一致的鍍層；自潤滑性好； 鍍層較厚； 空隙少； 裝置簡單, 操作容易； 鍍層具有特殊的機械、物理和化學效能等。其缺點是: 鍍液壽命短, 廢水多, 鍍速慢,成本高。不鏽鋼閥門網。化學鍍提高不鏽鋼表面耐磨性的途徑主要是鍍鎳及其合金鍍層。鍍鎳前需要進行特殊的預處理, 以除去不鏽鋼表面的鈍化膜, 提高不鏽鋼與鍍層的結合力。不鏽鋼化學鍍鎳包括單層化學鍍鎳、雙層化學鍍鎳、有氧化皮不鏽鋼單層化學鍍鎳等。高巖等在316L不鏽鋼基體上獲得了結合力良好的化學鍍 Ni2PPNi2W2P 合金鍍層, 在保證產品原有光澤度的前提下, 鍍層硬度較原不鏽鋼基體有了較大幅度的提高, 從而為不鏽鋼產品的耐磨抗劃傷效能的改善提供了有效的解決途徑。Yi2Ying Tsai , Fan2Bean Wu 等採用化學鍍的方式也在420不鏽鋼基體上成功沉積了Ni2PPNi2W2P合金鍍層, 並進行了適當的熱處理, 發現Ni2W2P 較Ni2P 合金鍍層具有更高的顯微硬度和化學穩定性； 劃痕實驗則表明, 合金鍍層的抗磨損效能較不鏽鋼基體均有明顯改善。2.2、物理氣相沉積物理氣相沉積技術是利用蒸發或濺射等物理形式把材料從靶源移走, 然後透過真空或半真空空間使這些攜帶能量的粒子沉積到基片或零件的表面以形成膜層。物理氣相沉積有真空蒸鍍(VE)、濺射鍍膜(SIP)、離子鍍 (IP))等。按加熱蒸發源分類, 真空蒸鍍包括電阻加熱蒸鍍、電子束加熱蒸鍍、感應加熱蒸鍍等； 濺射鍍膜包括磁控濺射沉積、離子束濺射鍍等。其中真空蒸鍍是比較早的鍍膜技術, 膜的結合力較低, 目前已不多用。而陰極濺射和離子鍍所得膜結合力較高, 應用範圍正在擴大。物理氣相沉積鍍膜的實用領域有: 裝飾膜、裝飾耐磨膜、耐磨超硬膜、減摩潤滑膜等。韓修訓等採用磁過濾沉積裝置( FCAP) 在1Cr18Ni9Ti不鏽鋼表面沉積得到的TiN塗層具有高的硬度和膜基結合力, 在載荷1N 和3N 下都表現出較低的摩擦係數和良好的耐磨效能。2.3、化學氣相沉積化學氣相沉積(CVD) 技術是指在較高溫度下, 混合氣體與基體的表面相互作用, 使混合氣體中的某些成分發生分解, 並在基體上形成一種金屬或化合物的固態膜或薄膜鍍層。其特點如下: (1) 鍍層緻密均勻, 可以較好控制鍍層的密度、純度、結構和晶粒度； (2) 因沉積溫度高,鍍層與基體結合強度高； (3) 可以在大氣壓或者低於大氣壓下進行沉積； (4) 通常沉積層具有柱狀晶結構, 不耐彎曲。謝飛, 何家文等對1Cr18Ni9Ti奧氏體不鏽鋼進行離子滲氮-等離子增強化學氣相沉積(PECVD) TiN 複合處理, 研究了複合處理層的組織與效能。結果表明: 複合處理層具有優良的膜基結合強度, 較之不鏽鋼基體, 耐磨性顯著提高； N. Yamauchi 等在AISI304 奧氏體不鏽鋼表面沉積了菱形碳薄膜, 該過程採用了無線電頻率(13156 MHz) 等離子增強化學氣相沉積工藝, 腐蝕環境下的對比實驗表明薄膜樣品和基體的摩擦係數分別約為0.1和0.5, 同時前者的磨損體積明顯低於後者。2.4、熱噴塗熱噴塗是利用某些熱源將塗層材料加熱到熔融或半熔融狀態, 同時藉助於焰流和高速氣體將其霧化, 並推動這些霧化後的粒子噴射到基體表面, 沉積成具有某種功能的塗層。熱噴塗能為工件表面提供耐磨、耐蝕、耐高溫的塗層。塗層材料與基體之間通常存在三種結合方式: 機械結合、物理結合和冶金結合。隨著低壓等離子噴塗, 高能、高速等離子噴塗, 高速火焰噴塗技術的出現, 塗層的效能得到進一步提高: 孔隙率可以降至0.5%～1%； 塗層與基體的結合強度可以達到70～140MPa。潘繼崗等利用超音速火焰噴塗(HVOF)技術和等離子噴塗(ASP)技術, 分別在0Cr13Ni5Mo不鏽鋼基體上製備了鐵基非晶合金塗層和鐵基非晶奈米晶塗層, 研究了兩種塗層在室溫下的摩擦磨損特性, 結果表明兩種噴塗工藝製備的鐵基塗層均具有較高的顯微硬度和較小的孔隙率, 組織緻密, 呈典型的層狀結構, 提高了塗層的耐磨效能。2.5、電鍍為了彌補不鏽鋼質軟不耐磨、摩擦係數大的弱點, 常用電鍍的方法提高不鏽鋼傳動軸等配合件的表面硬度和自潤滑效能。不鏽鋼是一種表面極易鈍化的金屬, 在電鍍前必須除去表面鈍化膜, 不鏽鋼經去油、浸漬、活化、預鍍鎳和電鍍等工序, 可得到鉻、鋅、銅、錫、貴金屬等鍍層。飈等在不鏽鋼水輪機母材上, 用週期反相電鍍稀土鉻, 鍍層厚度約0.3mm , 鍍層由金屬基相和稀土鹽顆粒第二相組成, 硬度可達到900～1000Hv,鍍層的抗磨蝕性為母材的25～28倍,產品工作壽命比原不鏽鋼件高2～6倍。3、不鏽鋼表面改性處理3.1、離子注入離子注入是利用經過加速和分離的高能量離子束作用於材料表面, 使之產生一定厚度的注入層, 從而改變材料的表面特性。具體方法是: 把工件(金屬、合金、陶瓷等) 放在離子注入機的真空靶室中, 在幾十至幾百千伏的電壓下, 把所需元素的離子加速、聚焦、注入到工件表面。用離子注入的方法可獲得過飽和固溶體、亞穩相、非晶態、和平衡態合金等不同組織的結構, 大大改善工件的使用效能。其優點是: (1) 可注入任何元素, 不受固溶度和擴散係數的影響； (2) 元素注入量可以精確控制, 可實現大面積和區域性的表面改性； (3) 真空下進行, 工件表面不會氧化； (4) 可得到兩層及兩層以上效能不同的複合鍍層, 對工件尺寸影響小； (5) 藉助磁分析器,可以獲得純的離子束流； (6) 離子注入的直進性, 橫向擴充套件小, 適合微細加工要求； (7) 高速離子可透過薄膜注入到金屬基體, 在薄膜和基體介面處形成合金層, 增強薄膜與基體的結合力,實現輻射增強合金化與離子束輔助增強粘合。
改善不鏽鋼耐磨性的表面處理技術及其研究現狀, 分析了這些表面處理技術的優勢和侷限性, 指出綜合應用塗鍍技術和新興的表面改性技術將成為提高不鏽鋼耐磨性的發展方向。1、引言不鏽鋼閥門網。不鏽鋼由於具有良好的耐蝕效能, 在石油、化工、宇航、醫藥、造紙、原子能、海洋工程和裝飾工程領域得到了廣泛的應用。但是通常不鏽鋼的硬度較低(通常情況下為200～250Hv), 耐磨性較差, 表面易出現發花現象, 這不僅會影響裝飾性產品的美觀, 而且表面出現微劃痕時會形成腐蝕微電池, 從而降低產品的耐腐蝕效能, 導致產品過早報廢。以不鏽鋼為基體的傳動軸、齧合件或動配合件經常會因為不鏽鋼質軟不耐磨、表面強度低、摩擦係數大等因素髮生咬合或粘滯現象。為了提高不鏽鋼的耐磨性, 許多學者在不鏽鋼表面進行了各種處理和強化研究, 如利用化學鍍在不鏽鋼表面沉積耐磨鍍層, 能提高產品表面硬度,並保證產品的耐腐蝕效能。本文就塗鍍技術和表面改性處理在提高不鏽鋼表面耐磨性時的工藝侷限性和優勢作了簡要綜述, 並展望了改善不鏽鋼耐磨性的發展方向。2、不鏽鋼表面塗鍍技術2.1、化學鍍化學鍍是 1947年由A.Brenner和G.Riddell提出的沉積非粉末狀鎳的鍍膜方法, 該方法是一種沉積金屬的、可控制的、無外加電源的氧化還原反應過程。相對於電鍍, 化學鍍有如下優點:能在形狀複雜的零件表面沉積均勻一致的鍍層；自潤滑性好； 鍍層較厚； 空隙少； 裝置簡單, 操作容易； 鍍層具有特殊的機械、物理和化學效能等。其缺點是: 鍍液壽命短, 廢水多, 鍍速慢,成本高。不鏽鋼閥門網。化學鍍提高不鏽鋼表面耐磨性的途徑主要是鍍鎳及其合金鍍層。鍍鎳前需要進行特殊的預處理, 以除去不鏽鋼表面的鈍化膜, 提高不鏽鋼與鍍層的結合力。不鏽鋼化學鍍鎳包括單層化學鍍鎳、雙層化學鍍鎳、有氧化皮不鏽鋼單層化學鍍鎳等。高巖等在316L不鏽鋼基體上獲得了結合力良好的化學鍍 Ni2PPNi2W2P 合金鍍層, 在保證產品原有光澤度的前提下, 鍍層硬度較原不鏽鋼基體有了較大幅度的提高, 從而為不鏽鋼產品的耐磨抗劃傷效能的改善提供了有效的解決途徑。Yi2Ying Tsai , Fan2Bean Wu 等採用化學鍍的方式也在420不鏽鋼基體上成功沉積了Ni2PPNi2W2P合金鍍層, 並進行了適當的熱處理, 發現Ni2W2P 較Ni2P 合金鍍層具有更高的顯微硬度和化學穩定性； 劃痕實驗則表明, 合金鍍層的抗磨損效能較不鏽鋼基體均有明顯改善。2.2、物理氣相沉積物理氣相沉積技術是利用蒸發或濺射等物理形式把材料從靶源移走, 然後透過真空或半真空空間使這些攜帶能量的粒子沉積到基片或零件的表面以形成膜層。物理氣相沉積有真空蒸鍍(VE)、濺射鍍膜(SIP)、離子鍍 (IP))等。按加熱蒸發源分類, 真空蒸鍍包括電阻加熱蒸鍍、電子束加熱蒸鍍、感應加熱蒸鍍等； 濺射鍍膜包括磁控濺射沉積、離子束濺射鍍等。其中真空蒸鍍是比較早的鍍膜技術, 膜的結合力較低, 目前已不多用。而陰極濺射和離子鍍所得膜結合力較高, 應用範圍正在擴大。物理氣相沉積鍍膜的實用領域有: 裝飾膜、裝飾耐磨膜、耐磨超硬膜、減摩潤滑膜等。韓修訓等採用磁過濾沉積裝置( FCAP) 在1Cr18Ni9Ti不鏽鋼表面沉積得到的TiN塗層具有高的硬度和膜基結合力, 在載荷1N 和3N 下都表現出較低的摩擦係數和良好的耐磨效能。2.3、化學氣相沉積化學氣相沉積(CVD) 技術是指在較高溫度下, 混合氣體與基體的表面相互作用, 使混合氣體中的某些成分發生分解, 並在基體上形成一種金屬或化合物的固態膜或薄膜鍍層。其特點如下: (1) 鍍層緻密均勻, 可以較好控制鍍層的密度、純度、結構和晶粒度； (2) 因沉積溫度高,鍍層與基體結合強度高； (3) 可以在大氣壓或者低於大氣壓下進行沉積； (4) 通常沉積層具有柱狀晶結構, 不耐彎曲。謝飛, 何家文等對1Cr18Ni9Ti奧氏體不鏽鋼進行離子滲氮-等離子增強化學氣相沉積(PECVD) TiN 複合處理, 研究了複合處理層的組織與效能。結果表明: 複合處理層具有優良的膜基結合強度, 較之不鏽鋼基體, 耐磨性顯著提高； N. Yamauchi 等在AISI304 奧氏體不鏽鋼表面沉積了菱形碳薄膜, 該過程採用了無線電頻率(13156 MHz) 等離子增強化學氣相沉積工藝, 腐蝕環境下的對比實驗表明薄膜樣品和基體的摩擦係數分別約為0.1和0.5, 同時前者的磨損體積明顯低於後者。2.4、熱噴塗熱噴塗是利用某些熱源將塗層材料加熱到熔融或半熔融狀態, 同時藉助於焰流和高速氣體將其霧化, 並推動這些霧化後的粒子噴射到基體表面, 沉積成具有某種功能的塗層。熱噴塗能為工件表面提供耐磨、耐蝕、耐高溫的塗層。塗層材料與基體之間通常存在三種結合方式: 機械結合、物理結合和冶金結合。隨著低壓等離子噴塗, 高能、高速等離子噴塗, 高速火焰噴塗技術的出現, 塗層的效能得到進一步提高: 孔隙率可以降至0.5%～1%； 塗層與基體的結合強度可以達到70～140MPa。潘繼崗等利用超音速火焰噴塗(HVOF)技術和等離子噴塗(ASP)技術, 分別在0Cr13Ni5Mo不鏽鋼基體上製備了鐵基非晶合金塗層和鐵基非晶奈米晶塗層, 研究了兩種塗層在室溫下的摩擦磨損特性, 結果表明兩種噴塗工藝製備的鐵基塗層均具有較高的顯微硬度和較小的孔隙率, 組織緻密, 呈典型的層狀結構, 提高了塗層的耐磨效能。2.5、電鍍為了彌補不鏽鋼質軟不耐磨、摩擦係數大的弱點, 常用電鍍的方法提高不鏽鋼傳動軸等配合件的表面硬度和自潤滑效能。不鏽鋼是一種表面極易鈍化的金屬, 在電鍍前必須除去表面鈍化膜, 不鏽鋼經去油、浸漬、活化、預鍍鎳和電鍍等工序, 可得到鉻、鋅、銅、錫、貴金屬等鍍層。飈等在不鏽鋼水輪機母材上, 用週期反相電鍍稀土鉻, 鍍層厚度約0.3mm , 鍍層由金屬基相和稀土鹽顆粒第二相組成, 硬度可達到900～1000Hv,鍍層的抗磨蝕性為母材的25～28倍,產品工作壽命比原不鏽鋼件高2～6倍。3、不鏽鋼表面改性處理3.1、離子注入離子注入是利用經過加速和分離的高能量離子束作用於材料表面, 使之產生一定厚度的注入層, 從而改變材料的表面特性。具體方法是: 把工件(金屬、合金、陶瓷等) 放在離子注入機的真空靶室中, 在幾十至幾百千伏的電壓下, 把所需元素的離子加速、聚焦、注入到工件表面。用離子注入的方法可獲得過飽和固溶體、亞穩相、非晶態、和平衡態合金等不同組織的結構, 大大改善工件的使用效能。其優點是: (1) 可注入任何元素, 不受固溶度和擴散係數的影響； (2) 元素注入量可以精確控制, 可實現大面積和區域性的表面改性； (3) 真空下進行, 工件表面不會氧化； (4) 可得到兩層及兩層以上效能不同的複合鍍層, 對工件尺寸影響小； (5) 藉助磁分析器,可以獲得純的離子束流； (6) 離子注入的直進性, 橫向擴充套件小, 適合微細加工要求； (7) 高速離子可透過薄膜注入到金屬基體, 在薄膜和基體介面處形成合金層, 增強薄膜與基體的結合力,實現輻射增強合金化與離子束輔助增強粘合。