提高不锈钢表面耐磨性的表面处理技术

提高不锈钢表面耐磨性的表面处理技术 陈国星 赵可昕 (华南理工大学材料科学与工程学院,广东 广州 510640) 【摘要】 概述改善不锈钢耐磨性的表面处理技术及其研究现状,分析了这些表面处理 技术的优势和局限性,指出综合应用涂镀技术和新兴的表面改性技术将成为提高不锈钢耐磨 性的发展方向。 【关键词】 不锈钢 耐磨性 表面处理 作者简介:陈国星,男,研究方向为金属材料表面工程,电话:, e2mail : chengx3055 sina1com SURFACE TREATMENT TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE WEAR PERFORMANCE OF STAINLESS STEEL Chen Guoxing Zhao Kexin (School of Material Science and Engineering , South China University of Technology) 【Abstract】 The surface and coating technologies for improving the wear performance of stainless steel were summarized , advantage and disadvantage of these technologies were analyzed. A combined application of coating and new surface treating was a new way to enhance the wear performance of stainless steel. 【Key Words】 Stainless Steel , Wearability , Surface Treatment 1 引言 不锈钢由于具有良好的耐蚀性能,在石油、 化工、宇航、医药、造纸、原子能、海洋工程和 装饰工程领域得到了广泛的应用。但是通常不锈 钢的硬度较低(通常情况下为200250Hv) ,耐 磨性较差,表面易出现发花现象,这不仅会影响 装饰性产品的美观,而且表面出现微划痕时会形 成腐蚀微电池,从而降低产品的耐腐蚀性能,导 致产品过早报废 1 。以不锈钢为基体的传动轴、 啮合件或动配合件经常会因为不锈钢质软不耐 磨、表面强度低、摩擦系数大等因素发生咬合或 粘滞现象 2 。为了提高不锈钢的耐磨性,许多学 者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究,如 利用化学镀在不锈钢表面沉积耐磨镀层,能提高 产品表面硬度,并保证产品的耐腐蚀性能。本文 就涂镀技术和表面改性处理在提高不锈钢表面耐 磨性时的工艺局限性和优势作了简要综述,并展 望了改善不锈钢耐磨性的发展方向。 2 涂镀技术 211 化学镀 化学镀是1947年由A. Brenner和G. Riddell 提出的沉积非粉末状镍的镀膜方法,该方法是一 种沉积金属的、可控制的、无外加电源的氧化还 原反应过程。相对于电镀,化学镀有如下优点: 能在形状复杂的零件表面沉积均匀一致的镀层; 自润滑性好;镀层较厚;空隙少;设备简单,操 作容易;镀层具有特殊的机械、物理和化学性能 等。其缺点是:镀液寿命短,废水多,镀速慢, 成本高 3 。 化学镀提高不锈钢表面耐磨性的途径主要是 镀镍及其合金镀层。镀镍前需要进行特殊的预处 理,以除去不锈钢表面的钝化膜,提高不锈钢与 镀层的结合力。不锈钢化学镀镍包括单层化学镀 镍、双层化学镀镍、有氧化皮不锈钢单层化学镀 镍等 4 。 高岩等在316L不锈钢基体上获得了结合力 良好的化学镀Ni2PNi2W2P合金镀层,在保证产 品原有光泽度的前提下,镀层硬度较原不锈钢基 52 第30卷 第5期上 海 金 属Vol130 , No15 2 0 0 8年9月SHANGHAI METALSSeptember , 2 0 0 8 体有了较大幅度的提高,从而为不锈钢产品的耐 磨抗划伤性能的改善提供了有效的解决途径 1 。 Y i2Y ing Tsai , Fan2Bean Wu等采用化学镀的方式 也在420不锈钢基体上成功沉积了Ni2PNi2W2P 合金镀层,并进行了适当的热处理,发现Ni2W2 P较Ni2P合金镀层具有更高的显微硬度和化学稳 定性;划痕实验则表明,合金镀层的抗磨损性能 较不锈钢基体均有明显改善 5 。 212 物理气相沉积 物理气相沉积技术是利用蒸发或溅射等物理 形式把材料从靶源移走,然后通过真空或半真空 空间使这些携带能量的粒子沉积到基片或零件的 表面以形成膜层。物理气相沉积有真空蒸镀 (VE)、溅射镀膜(SIP)、离子镀(IP)等。按 加热蒸发源分类,真空蒸镀包括电阻加热蒸镀、 电子束加热蒸镀、感应加热蒸镀等;溅射镀膜包 括磁控溅射沉积、离子束溅射镀等。其中真空蒸 镀是比较早的镀膜技术,膜的结合力较低,目前 已不多用。而阴极溅射和离子镀所得膜结合力较 高,应用范围正在扩大。物理气相沉积镀膜的实 用领域有:装饰膜、装饰耐磨膜、耐磨超硬膜、 减摩润滑膜等 6 。 韩修训等采用磁过滤沉积装置(FCAP)在 1Cr18Ni9Ti不锈钢表面沉积得到的TiN涂层具有 高的硬度和膜基结合力,在载荷1N和3N下都 表现出较低的摩擦系数和良好的耐磨性能 7 213 化学气相沉积 化学气相沉积(CVD)技术是指在较高温度 下,混合气体与基体的表面相互作用,使混合气 体中的某些成分发生分解,并在基体上形成一种 金属或化合物的固态膜或薄膜镀层。其特点如 下 : (1) 镀层致密均匀,可以较好控制镀层的密 度、纯度、结构和晶粒度;(2)因沉积温度高, 镀层与基体结合强度高 ; (3) 可以在大气压或者 低于大气压下进行沉积 ; (4) 通常沉积层具有柱 状晶结构,不耐弯曲 8 。 谢飞,何家文等对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢 进行 离 子 渗 氮2等 离 子 增 强 化 学 气 相 沉 积 (PECVD) TiN复合处理,研究了复合处理层的 组织与性能。结果表明:复合处理层具有优良的 膜基结合强度,较之不锈钢基体,耐磨性显著提 高 9 ; N. Yamauchi等在AISI304奥氏体不锈钢表 面沉积了菱形碳薄膜,该过程采用了无线电频率 (13 156 MHz)等离子增强化学气相沉积工艺,腐 蚀环境下的对比实验表明薄膜样品和基体的摩擦 系数分别约为011和015 ,同时前者的磨损体积 明显低于后者 10 。 214 热喷涂 热喷涂是利用某些热源将涂层材料加热到熔 融或半熔融状态,同时借助于焰流和高速气体将 其雾化,并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表 面,沉积成具有某种功能的涂层。热喷涂能为工 件表面提供耐磨、耐蚀、耐高温的涂层。涂层材 料与基体之间通常存在三种结合方式:机械结 合、物理结合和冶金结合。随着低压等离子喷 涂,高能、高速等离子喷涂,高速火焰喷涂技术 的出现,涂层的性能得到进一步提高:孔隙率可 以降至015 %1 %;涂层与基体的结合强度可 以达到70140MPa 6 。 潘继岗等利用超音速火焰喷涂(HVOF)技 术 和 等 离 子 喷 涂( ASP )技 术,分 别 在 0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上制备了铁基非晶合金 涂层和铁基非晶纳米晶涂层,研究了两种涂层在 室温下的摩擦磨损特性,结果表明两种喷涂工艺 制备的铁基涂层均具有较高的显微硬度和较小的 孔隙率,组织致密,呈典型的层状结构,提高了 涂层的耐磨性能 11 。 215 电镀 为了弥补不锈钢质软不耐磨、摩擦系数大的 弱点,常用电镀的方法提高不锈钢传动轴等配合 件的表面硬度和自润滑性能。不锈钢是一种表面 极易钝化的金属,在电镀前必须除去表面钝化 膜,不锈钢经去油、浸渍、活化、预镀镍和电镀 等工序,可得到铬、锌、铜、锡、贵金属等镀 层 4 。 王飚等在不锈钢水轮机母材上,用周期反相 电镀稀土铬,镀层厚度约013mm ,镀层由金属基 相和稀土盐颗粒第二相组成,硬度可达到900 1000Hv ,镀层的抗磨蚀性为母材的2528倍, 产品工作寿命比原不锈钢件高26倍 12 。 3 表面改性处理 311 离子注入 离子注入是利用经过加速和分离的高能量离 子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入 35第5期陈国星等:提高不锈钢表面耐磨性的表面处理技术 层,从而改变材料的表面特性。具体方法是:把 工件(金属、合金、陶瓷等)放在离子注入机的 真空靶室中,在几十至几百千伏的电压下,把所 需元素的离子加速、聚焦、注入到工件表面。用 离子注入的方法可获得过饱和固溶体、亚稳相、 非晶态、和平衡态合金等不同组织的结构,大大 改善工件的使用性能。其优点是 : (1) 可注入任 何元素,不受固溶度和扩散系数的影响; (2)元 素注入量可以精确控制,可实现大面积和局部的 表面改性;(3)真空下进行,工件表面不会氧 化 ; (4) 可得到两层及两层以上性能不同的复合 镀层,对工件尺寸影响小;(5)借助磁分析器, 可以获得纯的离子束流;(6)离子注入的直进 性,横向扩展小,适合微细加工要求 ; (7) 高速 离子可通过薄膜注入到金属基体,在薄膜和基体 界面处形成合金层,增强薄膜与基体的结合力, 实现辐射增强合金化与离子束辅助增强粘合。缺 点是 : (1) 金属离子熔点高、注入能量高,使用 受到限制;(2)高剂量注入导致的溅射和温升、 溅射腐蚀等,以及如何优选溅射、复杂形状(倾 斜注入、转动注入、柱体注入)注入等都是目前 有待解决的问题 6 。 目前,许多学者应用离子注入技术来改变不 锈钢表面的成分和组织,以提高不锈钢的耐磨 性。同济大学郭军霞等采用金属真空弧放电离子 源在奥氏体不锈钢上进行Co + C离子的双注入 与同时注入,研究结果表明:双注入和同时注入 方式均能够在不锈钢表面产生1个Co与C的共 存区域,注入离子浓度范围宽化,强化范围增 加;双注入和同时注入均能够提高不锈钢的表面 硬度,降低其表面的摩擦系数,提高其耐磨 性 13 。哈尔滨工业大学田修波等采用高频低电 压等离子体浸没离子注入( HLPIII)技术对 AISI304不锈钢表面进行了氮离子注入处理,用 球2盘摩擦磨损试验机考察了注入处理后钢表面 改性层的摩擦磨损性能,研究结果表明: HLPIII 处理能够显著提高样品的摩擦学性能。经过等离 子体浸没离子注入处理后, AISI304表面形成了 高氮层和膨胀奥氏体,提高了表面层硬度,降低 了表面粘着和塑性流动倾向,因而使摩擦系数减 小,耐磨性提高约210倍 14 。Z.Tek、A. ztarhan等人在抛光的316L不锈钢表面分别注入 Ti +N以及Zr离子,研究结果表明:处理后的该 不锈钢摩擦系数降低,硬度值提高,摩擦磨损性 能明显改善,实验数据见表1 15 。 表1 316L不锈钢离子注入处理前后的性能对比 项目 磨损体积 (cm 3 cm) 硬度 Hv 摩擦 系数 粗糙度 Ra m 未处理531010- 635001680101 注入Ti +N51110- 6245001440101 注入Zr61510- 6155001500101 312 激光表面处理 激光表面改性是20世纪70年代发展起来的 高新技术。它利用激光的高亮度、高单色性、高 方向性、高相干性的特点,作用于金属材料表 面,使材料的表面性能得到提高。特别是材料表 面硬度、强度、耐磨性等的改进,提高了产品的 使用寿命。激光表面改性可分为激光表面相变硬 化、激光冲击硬化、激光熔覆、激光合金化和激 光非晶化等。从工艺上看它们各自的特点是作用 在材料表面的激光功率密度不同,冷却速度不同 而致 6 。激光表面处理在材料加工中应用的特点 是 : (1) 能量传递方便,可以对被处理工件表面 有选择地局部强化 ; (2) 激光能量作用集中,加 工时间短,热影响区小,工件变形小 ; (3) 可以 处理表面形状复杂的工件,而且容易实现自动化 生产;(4)改性效果比普通方法更显著,速度 快,效率高,成本低 ; (5) 通常只能处理一些薄 板金属,不适宜处理较厚的板材 ; (6) 由于激光 对人眼的伤害性影响工作人员的安全,因此要致 力于发展安全设施 16 。 吕旭 东、王 华 明 利 用 激 光 熔 敷 技 术 在 1Cr18Ni9Ti不锈钢基材表面制得由三元金属硅化 物Mo2Ni3Si初生树枝晶和枝晶间Mo2Ni3SiNiSi共 晶组织组成的复合材料涂层,考察了涂层镍含量 及Mo2Ni3Si初生相体积分数对涂层在滑动干摩擦 下的耐磨性的影响,结果表明:激光熔敷涂层在 滑动干摩擦条件下具有优异的抗磨性能,随着涂 层中三元金属硅化物初生相体积分数的增加,涂 层的耐磨性提高,摩擦系数降低 17 。A.Roy Choudhury , Tamer Ezz等人综合应用激光熔敷和 溶胶2凝胶技术在AISI 316L不锈钢基体表面制得 45 上 海 金 属第30卷 高硬度纳米级结构硼化物涂层,测试结果表明: 被处理区域涂层的硬度范围是8002000Hv ,滑 动摩擦系数最低可以达到01 35 ( 摩擦时的配合 层为碳化钨 ) , 对比实验(同钻石摩擦)表明, 磨损率减少了50 %以上,抗磨损性能得到明显 改善 18 。 313 等离子表面处理 在等离子体中的化学反应比热化学反应容易 进行,其带电粒子在放电空间(气体)有热运 动、电场作用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递 减方向的扩散运动。工艺上可以把它分为:等离 子渗氮、等离子渗碳、碳氮共渗、等离子渗硫、 硫氮共渗、硫碳氮共渗等 6 。 等离子渗氮可以大幅度提高不锈钢的硬度和 耐磨性,但处理后的不锈钢耐蚀性下降 6 。周华 茂等采用正交试验对1724PH沉淀硬化不锈钢的 离子渗氮工艺和显微组织进行了研究。结果表明 离子渗氮表面层硬度很高,最大显微硬度可达到 1290Hv 19 。田修波等利用浸没式高频高压等离 子体渗氮(IHHPN)技术对SS304奥氏体不锈钢 进行了低温渗氮处理,在300215h处理条件 下获得了013m厚的高氮层,表面显微硬度较 未处理的样品明显提高,改性层内形成了膨胀奥 氏体 20 。E. De Las Heras等人在AISI 316L奥氏 体不锈钢表面上先后使用直流脉冲等离子渗氮 (673K、 20h) 和 等 离 子 辅 助 物 理 气 相 沉 积 (PAPVD)技术,经过两轮处理后样品表面沉积 了均匀、密集、结合力良好的TiN涂层,测定了 在滑动和滚动摩擦条件下不同负载 (490 、1225 和1960N)时的磨损情况,结果表明处理后样品 的抗摩擦磨损性能明显改善 21 。 4 结束语 本文简单介绍了涂镀技术和表面改性技术在 改善不锈钢耐磨性中的应用与进展。耐磨性作为 不锈钢的一个重要的性能指标,一定程度上制约 着不锈钢的应用。对比本文提到的各种表面处理 途径,可以得出以下3点意见。 (1)提高不锈钢表面耐磨性途径不再是采用 单一的涂镀技术或表面改性技术。综合应用传统 的涂镀技术和现代表面改性技术将成为提高不锈 钢耐磨性的发展方向。 (2)拥有诸多优点的离子注入技术,将会从 现代表面改性技术中凸现出来,成为改善不锈钢 耐磨性的研究热点。 (3)激光束、离子束等新兴技术在不锈钢表 面处理中的应用,将显著提高不锈钢产品的技术 附加值。 参 考 文 献 1高岩,郑志军等.不锈钢化学镀Ni2PNi2W2P合金镀层的研 究J .材料保护, 2005 , 38 (3) : 3537. 2刘福春,石玉敏等.不锈钢表面处理方法的进展J .沈阳 工业大学学报, 2001 , 23 (1) : 710. 3姜晓霞,沈伟.化学镀理论与实践M.北京:国防工业 出版社, 2000. 4陈天玉.不锈钢表面处理技术M.北京:化学工业出版 社, 2004. 125129. 5 Y i2Y ing Tsai et al. Thermal stability and mechanical propertiesof Ni W P electrolessDeposits J . Surface and Coatings Technology , 2001 , 146147: 502507. 6戴达煌,周克崧等.现代材料表面技术科学M.北京: 冶金工业出版社, 2004. 7韩修训,阎鹏勋等.两种物理气相沉积氮化钛涂层的结构 及摩擦性能研究J .摩擦学学报, 2002 , 22 (3) : 175 178. 8 T. S. SUDARSHAN编.范玉殿等译.表面改性技术工程师 指南M.北京:清华大学出版社, 1992. 9谢飞,何家文.奥氏体不锈钢离子渗氮2PECVD TiN复合处 理层组织与性能特性研究J .江苏石油化工学院学报, 1999 , 11 (4) : 2730. 10 Yamauchi N. , et al. Friction and wear of DLC films on 304 austenitic stainless steel in corrosive solutions J . Surface and Coatings Technology , 2003 , 174175: 465469. 11潘继岗,樊自拴等.采用两种喷涂技术制备铁基合金涂层 的摩擦磨损特性研究J .摩擦学学报, 2005 , 25 (5) : 412415. 12王飚等.电镀稀土铬提高水轮机的抗空蚀磨损能力J . 中国腐蚀与防护学报, 2003 , 23 (1) : 3437. 13郭军霞,陈秋龙等. Co + C离子注入层的摩擦磨损行为研 究J .摩擦学学报, 2006 , 26 (2) : 130133. 14田修波等. AISI304钢表面低电压等离子体基离子注入层摩