304不銹鋼怎么能抗耐磨

【專家解說】：改善304不銹鋼耐磨性的表面處理技術(shù)：

1、引言

不銹鋼閥門網(wǎng)。不銹鋼由于具有良好的耐蝕性能, 在石油、化工、宇航、醫(yī)藥、造紙、原子能、海洋工程和裝飾工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是通常不銹鋼的硬度較低(通常情況下為200～250Hv), 耐磨性較差, 表面易出現(xiàn)發(fā)花現(xiàn)象, 這不僅會影響裝飾性產(chǎn)品的美觀, 而且表面出現(xiàn)微劃痕時會形成腐蝕微電池, 從而降低產(chǎn)品的耐腐蝕性能, 導(dǎo)致產(chǎn)品過早報廢。以不銹鋼為基體的傳動軸、嚙合件或動配合件經(jīng)常會因為不銹鋼質(zhì)軟不耐磨、表面強度低、摩擦系數(shù)大等因素發(fā)生咬合或粘滯現(xiàn)象。為了提高不銹鋼的耐磨性, 許多學(xué)者在不銹鋼表面進(jìn)行了各種處理和強化研究, 如利用化學(xué)鍍在不銹鋼表面沉積耐磨鍍層, 能提高產(chǎn)品表面硬度,并保證產(chǎn)品的耐腐蝕性能。本文就涂鍍技術(shù)和表面改性處理在提高不銹鋼表面耐磨性時的工藝局限性和優(yōu)勢作了簡要綜述, 并展望了改善不銹鋼耐磨性的發(fā)展方向。

2、不銹鋼表面涂鍍技術(shù)

2.1、化學(xué)鍍

化學(xué)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(yīng)過程。相對于電鍍, 化學(xué)鍍有如下優(yōu)點:能在形狀復(fù)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； 設(shè)備簡單, 操作容易； 鍍層具有特殊的機械、物理和化學(xué)性能等。其缺點是: 鍍液壽命短, 廢水多, 鍍速慢,成本高。

不銹鋼閥門網(wǎng)?；瘜W(xué)鍍提高不銹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(jìn)行特殊的預(yù)處理, 以除去不銹鋼表面的鈍化膜, 提高不銹鋼與鍍層的結(jié)合力。不銹鋼化學(xué)鍍鎳包括單層化學(xué)鍍鎳、雙層化學(xué)鍍鎳、有氧化皮不銹鋼單層化學(xué)鍍鎳等。

高巖等在316L不銹鋼基體上獲得了結(jié)合力良好的化學(xué)鍍 Ni2PPNi2W2P 合金鍍層, 在保證產(chǎn)品原有光澤度的前提下, 鍍層硬度較原不銹鋼基體有了較大幅度的提高, 從而為不銹鋼產(chǎn)品的耐磨抗劃傷性能的改善提供了有效的解決途徑。Yi2Ying Tsai , Fan2Bean Wu 等采用化學(xué)鍍的方式也在420不銹鋼基體上成功沉積了Ni2PPNi2W2P合金鍍層, 并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臒崽幚? 發(fā)現(xiàn)Ni2W2P 較Ni2P 合金鍍層具有更高的顯微硬度和化學(xué)穩(wěn)定性； 劃痕實驗則表明, 合金鍍層的抗磨損性能較不銹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(shù)是利用蒸發(fā)或濺射等物理形式把材料從靶源移走, 然后通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(fā)源分類, 真空蒸鍍包括電阻加熱蒸鍍、電子束加熱蒸鍍、感應(yīng)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(shù), 膜的結(jié)合力較低, 目前已不多用。而陰極濺射和離子鍍所得膜結(jié)合力較高, 應(yīng)用范圍正在擴大。物理氣相沉積鍍膜的實用領(lǐng)域有: 裝飾膜、裝飾耐磨膜、耐磨超硬膜、減摩潤滑膜等。

韓修訓(xùn)等采用磁過濾沉積裝置( FCAP) 在1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面沉積得到的TiN涂層具有高的硬度和膜基結(jié)合力, 在載荷1N 和3N 下都表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性能。

2.3、化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積(CVD) 技術(shù)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(fā)生分解, 并在基體上形成一種金屬或化合物的固態(tài)膜或薄膜鍍層。其特點如下:

　　(1) 鍍層致密均勻, 可以較好控制鍍層的密度、純度、結(jié)構(gòu)和晶粒度；

　　(2) 因沉積溫度高,鍍層與基體結(jié)合強度高；

　　(3) 可以在大氣壓或者低于大氣壓下進(jìn)行沉積；

　　(4) 通常沉積層具有柱狀晶結(jié)構(gòu), 不耐彎曲。

謝飛, 何家文等對1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼進(jìn)行離子滲氮-等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD) TiN 復(fù)合處理, 研究了復(fù)合處理層的組織與性能。結(jié)果表明: 復(fù)合處理層具有優(yōu)良的膜基結(jié)合強度, 較之不銹鋼基體, 耐磨性顯著提高； N. Yamauchi 等在AISI304 奧氏體不銹鋼表面沉積了菱形碳薄膜, 該過程采用了無線電頻率(13156 MHz) 等離子增強化學(xué)氣相沉積工藝, 腐蝕環(huán)境下的對比實驗表明薄膜樣品和基體的摩擦系數(shù)分別約為0.1和0.5, 同時前者的磨損體積明顯低于后者。

2.4、熱噴涂

熱噴涂是利用某些熱源將涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài), 同時借助于焰流和高速氣體將其霧化, 并推動這些霧化后的粒子噴射到基體表面, 沉積成具有某種功能的涂層。熱噴涂能為工件表面提供耐磨、耐蝕、耐高溫的涂層。涂層材料與基體之間通常存在三種結(jié)合方式: 機械結(jié)合、物理結(jié)合和冶金結(jié)合。隨著低壓等離子噴涂, 高能、高速等離子噴涂, 高速火焰噴涂技術(shù)的出現(xiàn), 涂層的性能得到進(jìn)一步提高: 孔隙率可以降至0.5%～1%； 涂層與基體的結(jié)合強度可以達(dá)到70～140MPa。

潘繼崗等利用超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)和等離子噴涂(ASP)技術(shù), 分別在0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體上制備了鐵基非晶合金涂層和鐵基非晶納米晶涂層, 研究了兩種涂層在室溫下的摩擦磨損特性, 結(jié)果表明兩種噴涂工藝制備的鐵基涂層均具有較高的顯微硬度和較小的孔隙率, 組織致密, 呈典型的層狀結(jié)構(gòu), 提高了涂層的耐磨性能。

2.5、電鍍

為了彌補不銹鋼質(zhì)軟不耐磨、摩擦系數(shù)大的弱點, 常用電鍍的方法提高不銹鋼傳動軸等配合件的表面硬度和自潤滑性能。不銹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, 不銹鋼經(jīng)去油、浸漬、活化、預(yù)鍍鎳和電鍍等工序, 可得到鉻、鋅、銅、錫、貴金屬等鍍層。

飚等在不銹鋼水輪機母材上, 用周期反相電鍍稀土鉻, 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(dá)到900～1000Hv,鍍層的抗磨蝕性為母材的25～28倍,產(chǎn)品工作壽命比原不銹鋼件高2～6倍。

3、不銹鋼表面改性處理

3.1、離子注入

離子注入是利用經(jīng)過加速和分離的高能量離子束作用于材料表面, 使之產(chǎn)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(wěn)相、非晶態(tài)、和平衡態(tài)合金等不同組織的結(jié)構(gòu), 大大改善工件的使用性能。

其優(yōu)點是:

　　(1) 可注入任何元素, 不受固溶度和擴散系數(shù)的影響；

　　(2) 元素注入量可以精確控制, 可實現(xiàn)大面積和局部的表面改性；

　　(3) 真空下進(jìn)行, 工件表面不會氧化；

　　(4) 可得到兩層及兩層以上性能不同的復(fù)合鍍層, 對工件尺寸影響小；

　　(5) 借助磁分析器,可以獲得純的離子束流；

　　(6) 離子注入的直進(jìn)性, 橫向擴展小, 適合微細(xì)加工要求；

　　(7) 高速離子可通過薄膜注入到金屬基體, 在薄膜和基體界面處形成合金層, 增強薄膜與基體的結(jié)合力,實現(xiàn)輻射增強合金化與離子束輔助增強粘合。