【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种在钢铁材料表面制备改性层的方法。
技术介绍
1、钢铁材料是目前应用最广泛的一种材料，无论在军用或者民用中都能随处可见其身影，例如航空发动机叶片、航天器外壳、石油化工管道、各种医疗器械等。但是随着国家科技水平的发展，人民生活水平的提高，这些钢铁材料的缺点越发的明显。最主要的是其耐磨性和耐蚀性较差，使得在其在各个领域中的使用寿命不长，容易出现各种失效形式。
2、对钢铁材料进行处理，使钢铁材料在不影响其他性能的前提下，增强钢铁材料耐磨性和耐蚀性显得尤为重要。目前改善耐磨性和耐蚀性的方法主要为合金化、机械加工和表面改性等，表面改性作为一种金属领域常用的一种方法，可以在不改变工件内部组织的情况下来改变其表面的性能，包括耐磨性和耐蚀性等。
3、渗氮与后氧化处理是一种新兴的表面改性方法，渗氮加后氧化工艺是先通过渗氮或碳氮共渗之后在材料表面生成化合物层，内部形成热扩渗层，随后再进行氧化，使材料表面形成化合物层和氧化物层，进而达到增强耐磨性和耐蚀性的效果。
4、专利cn110777323a在金属工件表面采用常规气体氮碳共渗后氧化工艺，氮碳共渗阶段采用不低于560℃的温度，在nh3、n2和co2混合气氛下氮化至少3h，该阶段结束后会在金属工件表面生成白亮层，在氧化阶段采用水蒸气和氮气的混合气体，在第一阶段430～450℃的温度下氧化25～35min后，升温至520～540℃进行第二阶段氧化10～20min，制备出了耐蚀的复合层，但并未给出耐磨效果。专利cn108893706a对10#钢采用常规气
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有的钢铁材料表面耐磨和耐蚀差、以及钢铁材料表面改性方法复杂和易产生污染的问题，提出一种在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法。
2、本专利技术在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法按照以下步骤进行
3、一、钢铁材料预处理步骤：对钢铁材料进行打磨，并使用清洗剂将钢铁材料表面油污清洗干净；
4、二、钢铁材料低温渗氮：将步骤一预处理后的钢铁材料送入离子渗氮炉中进行低温渗氮处理，氮氢比为1:(1～4)，炉压100～300pa，渗氮温度380～500℃，渗氮时间为4～12h，保温结束后随炉冷却至室温，出炉，在钢铁材料表面形成20～200μm的梯度复合相层；梯度复合相层由表面的铁氮化物和内部的αn相组成，不含脆性的ε相；αn相的n含量由表面到内部逐渐降低；
5、三、钢铁材料低温渗氮后氧化：将步骤二中低温渗氮后的钢铁材料放入加热保温设备中，在450～510℃温度的大气环境下氧化处理0.5～8h，使钢铁材料表面生成1～2μm的氧化层；
6、四、钢铁材料低温渗氮与后氧化的后处理：将步骤三中后氧化的钢铁材料进行除锈清洗，在钢铁材料表面得到黑色耐磨耐蚀高韧性改性层。
7、本专利技术原理及有以效果为：
8、本专利技术首先采用低温离子渗氮，在钢铁试样表面生成梯度复合相层，梯度复合相层由表面的铁氮化物γ′-fe4n和内部的高氮含量αn相组成，αn相的n含量由表面到内部逐渐降低，且不含脆性的ε-fe2～3n相，可以增强后续的氧化层和渗层的结合力，有效的防止氧化层脱落，并改善复合改性层的韧性。此外，本专利技术采用常规的热处理加热保温设备并通过炉内残留空气或通入对流空气，渗层表面部分高氮含量αn相发生分解，分解的氮原子向材料内部扩散，进而产生更多的低氮含量αn相，进一步增加渗层有效硬化层厚度，同时在钢铁材料的表面生成了致密铁氧化物fe3o4层。因此形成了梯度复合改性层，使钢铁材料的磨损率降低88％以上，腐蚀电位提高，腐蚀电流略有降低，腐蚀极化电阻提高，在显著提高钢铁材料的耐磨性的同时提高其耐蚀性能。
9、本专利技术中的低温渗氮相比于常规渗氮，由于渗氮温度较低，所以能够在提高材料的耐摩擦性和耐蚀性能的同时，获得更小的变形和更低的残余应力，且具有高效率、可控性强等优点。在后氧化工艺中，本专利技术使用的设备简单，仅使用空气即可完成氧化步骤进而获得黑色耐磨且耐蚀的高韧性改性层，与淬火-抛光-淬火工艺相比不使用氰酸根基盐等有害物质，各个过程产物对环境无毒无害。
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1.一种在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法按照以下步骤进行
2.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤一所使钢铁材料为合金钢或碳钢。
3.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤一所述清洗剂为丙酮或酒精。
4.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤二中钢铁材料低温渗氮：将步骤一预处理后的钢铁材料送入离子渗氮炉中进行低温渗氮处理，氮氢比为1:2，炉压100～300Pa，渗氮温度380～500℃，渗氮时间为4～12h，保温结束后随炉冷却至室温，出炉。
5.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤二中钢铁材料低温渗氮：将步骤一预处理后的钢铁材料送入离子渗氮炉中进行低温渗氮处理，氮氢比为1:(1～4)，炉压100Pa，渗氮温度380～500℃，渗氮时间为4～12h，保温结束后随炉冷
6.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤二中钢铁材料低温渗氮：将步骤一预处理后的钢铁材料送入离子渗氮炉中进行低温渗氮处理，氮氢比为1:(1～4)，炉压100～300Pa，渗氮温度420℃，渗氮时间为4h，保温结束后随炉冷却至室温，出炉。
7.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤三低温渗氮钢铁材料表面的后氧化：将步骤二中低温渗氮后的钢铁材料放入加热保温设备中，在510℃温度的大气环境下氧化处理0.5～8h。
8.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤三低温渗氮钢铁材料表面的后氧化：将步骤二中低温渗氮后的钢铁材料放入加热保温设备中，在450～510℃温度的大气环境下氧化处理8h。
9.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤三低温渗氮钢铁材料表面的后氧化：将步骤二中低温渗氮后的钢铁材料放入加热保温设备中，在480℃温度的大气环境下氧化处理4h。
10.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤三所述加热保温设备为管式炉、马弗炉或箱式电阻炉。
...【技术特征摘要】
1.一种在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法按照以下步骤进行
2.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤一所使钢铁材料为合金钢或碳钢。
3.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤一所述清洗剂为丙酮或酒精。
4.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤二中钢铁材料低温渗氮：将步骤一预处理后的钢铁材料送入离子渗氮炉中进行低温渗氮处理，氮氢比为1:2，炉压100～300pa，渗氮温度380～500℃，渗氮时间为4～12h，保温结束后随炉冷却至室温，出炉。
5.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高韧性改性层的方法，其特征在于：步骤二中钢铁材料低温渗氮：将步骤一预处理后的钢铁材料送入离子渗氮炉中进行低温渗氮处理，氮氢比为1:(1～4)，炉压100pa，渗氮温度380～500℃，渗氮时间为4～12h，保温结束后随炉冷却至室温，出炉。
6.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面制备黑色耐磨耐蚀高...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞良，刘泉利，吴新宇，孟祥龙，武昭杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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