一种金属表面高耐磨耐蚀复合强化层及其制备方法

1.本发明属于金属表面硬化处理技术领域，涉及一种高耐磨耐蚀复合强化层及其制备方法，特别适合在高磨损、强腐蚀工况下使用，可用于球阀的密封面强化，也可用于其他钢铁材料的表面强化。


背景技术：

2.随着工业技术的发展，球阀使用领域不断扩大，主要用于石油化工、煤化工、多晶硅等严峻苛刻工况，其重要部件密封面(球体和阀座接触面)长期面临强酸强碱、高磨损等介质的侵蚀，对其综合性能也提出了越来越高的要求。如球阀工作过程中存在的高硬度煤渣颗粒或so
4-2
、cl-离子强腐蚀介质，球阀密封面常呈现出腐蚀、磨损现象，导致强化层早期失效；另外，由于球阀服役过程中长期承受高速、温度循环交替介质的冲蚀，涂层易出现剥离脱落现象，直接影响球阀使用寿命。综上，球阀强化层必须具有较好的耐蚀和耐磨综合机械性能，而现有常用涂层性能较为单一，难以满足零件高质量、高参数的性能要求。目前国内外有一些公司投入了大量人力物力对此课题进行研究。
3.美国专利us2018/0274076 a1公开了一种适用于高压高温致密、低摩擦涂层，该方法将超音速喷涂层与dlc涂层复合，该复合涂层不适用于温度循环交替介质，且超音速涂层与基体膨胀系数差异大，抗结合力差，抗冲击韧性差。中国专利201610231094.2中提到球阀密封副的表面硬化处理方法，该方法制备的复合强化层虽具有一定的耐蚀、耐磨性能，但该涂层与基体硬度梯度较大，涂层内应力易导致其剥离基体，限制了其应用推广。中国专利202010036201.2、201610248224.3提到一种球阀耐磨蚀防护涂层及制备方法，该两种方法制备的涂层不适用于cl-离子强腐蚀环境，且制备工艺复杂，不易推广应用。中国专利cn201310255912.9提到的一种pvd复合陶瓷涂层螺杆以及制造方法，螺杆基体(1)的表层设置有厚度大于0.2mm的渗氮层(2)，渗氮层(2)的外表面从内至外依次层叠设置有过渡层(3)以及耐磨层(4)；具体为铬钼合金钢材质的螺杆基体在400℃的氩气环境下进行离子渗氮处理，并保证渗氮层厚度大于0.2mm；渗氮层的外表面从内至外依次层叠设置有过渡层以及耐磨层，过渡层为0.5μm-1μm厚度的金属铬层，耐磨层为5μm-7μm厚度的氮化铬与氮化碳构成的复合陶瓷涂层。而为了提高钢基体和氮化物陶瓷层的结合力，采用离子渗氮处理是本领域常见的操作，例如在“离子渗氮提高硬质膜层与普通结构钢基体结合力的研究”经过离子渗氮预处理后再镀tin，镀层与基体结合力比直接镀膜时提高近一倍。随着发明人深入研究后发现目前渗氮层仍存在一些不足，例如渗氮层表层存在疏松组织和硬脆白亮层等问题，严重影响了氮化物陶瓷层在其表面沉积效果，其与外表氮化物陶瓷层的结合强度难以进一步提高，发生涂层磨损脱落现象。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层及其制备方法。本发明制备的复合强化层硬度梯度较缓，内应力小，且与基体结合
强度高，既具有高耐磨性能又兼备耐蚀性能。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
6.一种金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层，其由承载层、过渡层、功能层组成组成，承载层为离子渗氮层，过渡层为致密渗氧层，功能层为纳米复合陶瓷层。
7.进一步，承载层为无疏松结构的离子渗氮层，硬度为1000hv～1300hv，厚度为20μm～300μm；过渡层为致密离子渗氧层，渗氧层厚度为1μm～3μm；功能层为氮化铬层和多元氮化物层的复合层，硬度为3000hv～4000hv，厚度为1μm～10μm；复合强化层总层深为22μm～310μm，最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
8.本发明还提供上述高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，制备方法具体步骤如下：首先对钢材基体表面磨削、抛光、离子清洗，随后依次进行
①
离子溅射，
②
低温低压离子渗氮，
③
三段离子渗氧，
④
真空离子沉积氮化铬层和多元氮化物层的复合层。
9.具体步骤为：
10.(1)首先对钢材基体表面磨削、抛光、离子清洗，随后将试样放入离子渗氮炉内，抽真空至一定真空度后，通入氢气进行离子溅射，然后通入渗氮介质进行离子渗氮；
11.(2)渗氮结束后通入氧化介质进行三段式离子渗氧工艺；
12.(3)最后将试样放入真空镀膜机内，通入沉积气氛介质，采用非平衡磁控溅射技术沉积氮化铬层和多元氮化物层的复合层。
13.步骤(1)离子溅射气体介质为氢气；离子溅射在离子渗氮炉内进行，抽真空至20pa以下，调节电压、电流起辉，然后通入氢气进行离子溅射，溅射时间5min～30min。
14.离子渗氮气体为氮气、氢气混合或氨气单一气体；进一步优选离子渗氮所用介质为氮气和氢气体积比为3：1；离子渗氮温度为250℃～500℃，保温时间1h～9h，氮化炉内气氛压力为低压20pa～150pa。离子渗氮层的硬度为1000hv～1300hv，厚度为20μm～300μm。
15.步骤(2)离子渗氧介质为干燥洁净的空气，离子渗氧温度为250℃～400℃，保温时间15min，三段式离子渗氧工艺是指渗氧流量分别为2l/min-3l/min，保温5min；4l/min-5l/min，保温5min；5l/min-6l/min，保温5min，炉内气氛压力50pa～150pa；致密离子渗氧层，渗氧层厚度为1μm～3μm。
16.步骤(3)沉积氮化铬层和多元氮化物层的复合层选用气体介质为氮气和氩气汇合使用。离子渗氧结束后将其放入离子真空镀膜炉中，镀膜靶材为si靶、cr靶、cral靶。先通入氩气进行离子溅射，氩气流量设定为400ml/min-600ml/min，设定氩气溅射时间为5min～30min，溅射后，继续通入氮气，调节氮气流量设定为500ml/min～900ml/min，设定镀膜温度400℃～550℃，偏压50v～150v，设定真空度10-3pa～10-4pa，保温时间为4h～8h。真空镀膜结束后，关闭氮气和氩气阀门，待炉温降到100℃以下，试样取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。功能层硬度为3000hv～4000hv，厚度为1μm～10μm。
17.步骤(3)氮化铬为crn；多元氮化物是指添加si、cr、al等元素组成的sialcrn等。
18.按上述方案：复合强化层总层深为22μm～310μm，对其试样表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
19.本发明对现有强化层组织结构进行改进，提出了由承载层、过渡层、功能层组成的复合强化层。外表功能层为采用真空离子沉积方法获得的高硬度、低摩擦系数的纳米结构硬氮化铬层和多元氮化物层，其硬度3000hv～4000hv。
20.为提高外表功能层与钢基体结合强度，通过制备条件优化复合强化层硬度梯度，减小涂层内应力，避免产生蛋壳效应。其中承载层选用与基体为化学结合方式的离子渗氮层，该氮化层硬度约1000hv～1300hv，使其表层至基体较小的硬度梯度。但是，氮原子渗入不锈钢基体后，氮原子会与铬原子发生化学反应，会发生贫铬现象，导致不锈钢耐蚀性降低，此外，渗氮后的氮化层降低了陶瓷涂层与氮化层的结合力，降低了复合强化层的结合强度。为解决上述现有的技术缺陷，本发明采用三段离子渗氧工艺，即以干燥空气作为氧化介质，流量设定为由低至高的三个阶段，生成一层致密渗氧层作为中间过渡层。首先，该三段渗氧法确保氧化层内部较小的残余应力，使氧化层牢固生长在氮化层上，通过氧化工艺调控获得了四氧化三铁相为主要物相，促使氮化层具有较佳的耐蚀性能，显著改善了氮化层耐蚀性能。另外，离子渗氧膜生长过程中，纳米级氧化物颗粒逐渐挤占疏松层中的间隙位置，有效提高了纳米结构复合陶瓷层与氮化层间的结合强度，使复合强化层与基体结合更加牢固，避免强化层发生剥落现象。除此之外，纳米结构复合陶瓷层设计为氮化铬层与多元氮化物涂层的复合层结构，易于使两膜层生长为一体，进一步降低膜层间内应力，增大纳米结构膜层间的结合力。综上，通过对复合强化层结构优化，以此获得具有组织致密，结合强度好，表面硬度高且摩擦系数小的高耐磨耐蚀复合强化层。
21.较之现有技术，本发明的有益效果在于：
22.(1)本发明复合强化层的承载层、功能层分别由氮化层、纳米结构复合陶瓷层构成，该氮化层与基体为化学结合，纳米复合陶瓷层为氮化铬层与多元氮化物涂层的复合层，结构致密且具有高耐磨性能。承载层与功能层优势互补、协同作用，形成的复合强化层具备摩擦系数低、表面硬度高且硬度梯度缓、内应力小的综合性能特点。
23.(2)本发明增加中间过渡层有效避免氮化层外表组织结合强度差及耐蚀性低的性能缺陷，即通过设计三段离子渗氧工艺过程获得独特结构的渗氧层，完善了氮化层的组织结构，增强了氮化层与陶瓷层的结合力；另一方面改善了不锈钢氮化层耐蚀性差的不足。过渡层使氮化层和陶瓷层与基体牢固结合于一体，有效确保了复合强化层在苛刻工况中的服役寿命。
附图说明
24.下面结合附图对本发明进一步说明。
25.图1为实施例1复合强化层截面组织形貌。
26.图2为对比例与实施例强化层电化学曲线。
27.图3为对比例与实施例强化层摩擦系数曲线。
28.图4为对比例与实施例强化层磨损形貌图。
具体实施方式
29.现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
30.对比例1
31.选用316不锈钢作为实验基体材料，对其表面进行磨削、抛光、离子清洗、烘干，然后将其放入离子渗氮炉中，抽真空至＜20pa时，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离
子溅射，溅射时间5min，继续通入氮气，调节氮气和氢气体积比例为3：1，待温度达到渗氮温度400℃时开始计时进行渗氮，设定渗氮气氛压力为100pa，保温时间为6h。离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门，待炉温降到100℃以下，试样从炉内取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
32.按照标准jb/t 7707、iso14477-1分别对该复合强化层厚度、硬度进行分析，由表1中结果可知，离子渗氮层厚度为50μm，表面硬度为1080hv、1050hv、1030hv(测量3次，取其平均值)，可知强化层与基体不存在剥落，这主要由于氮化层与基体结合方式为分子间的化学结合；按照标准astm g133对强化层进行摩擦磨损实验，采用往复式摩擦方式，摩擦实验温度为室温，设定载荷80n，往复长度5mm，运行速度800t/min,磨损时间10min，由表1中结果可知摩擦失重为57*10-3
mm3，摩擦系数为0.70；对该强化层进行电化学腐蚀实验，nacl盐溶液浓度为3.5％，由图2可知自腐蚀电位约为-550mv，对腐蚀后的表面形貌进行观察未发现起皮、脱落现象。综上可知，该渗氮层与基体结合强度较优，耐磨性能较优，但其耐蚀性能不佳。
33.对比例2
34.选用316不锈钢作为实验基体材料，对其表面进行磨削、抛光、离子超声清洗、烘干，然后将其放入离子真空镀膜炉中，镀膜靶材为si靶、cr靶、cral靶，抽真空使真空度为10-3
pa，调节电压、电流起辉，随后通入氩气进行离子溅射，氩气流量设定为500ml/min，溅射10min后，继续通入氮气，调节氮气流量设定为800ml/min，偏压为70v，设定真空度为10-4
pa，镀膜温度500℃，保温时间为6h。真空镀膜结束后，得到沉积成分为crn-cralsin纳米复合涂层，关闭氮气和氩气阀门，待炉温降到100℃以下，试样从炉内取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
35.按照标准jb/t 8554、jb/t 7707、iso14477-1分别对该复合强化层结合强度、厚度、硬度进行分析，由表1中结果可知，氮化铬层和多元氮化物层的复合层厚度为3μm，表面硬度为3780hv、3750hv、3800hv，结合力仅有50n，这主要是由于基体硬度较低，表面陶瓷硬度较高，强化层与基体硬度差异大，强化层内应力大，易产生蛋壳效应，与基体结合强度差；按照标准astm g133对强化层进行摩擦磨损实验，采用往复式摩擦方式，摩擦实验温度为室温，设定载荷80n，往复长度5mm，运行速度800t/min,磨损时间10min，由表1中结果可知摩擦失重为50*10-3
mm3，摩擦系数为0.65，虽然表面强化层硬度较高，但其耐磨性能一般，这主要由于该强化层与基体结合不够牢固，耐磨性能没有获得显著提升；对该强化层进行电化学腐蚀实验，nacl盐溶液浓度为3.5％，由图2可知自腐蚀电位约为-480mv，对腐蚀后的表面形貌进行观察未发现起皮、脱落现象，耐蚀性优于氮化层。综上可知，该氮化物涂层硬度较高，耐磨性能一般，涂层与基体结合强度较差。
36.对比例3
37.选用316不锈钢作为实验基体材料，对其表面进行磨削、抛光、离子超声清洗、烘干，然后将其放入离子渗氮炉中，抽真空至＜20pa时，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射5min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例3：1，待温度达到渗氮温度400℃时开始计时进行渗氮，设定渗氮气氛压力为100pa，保温时间为6h。离子渗氮结束后，将其放入离子真空镀膜炉中，镀膜靶材为si靶、cr靶、cral靶，调节电压、电流起辉，随后通入氩气进行离子溅射，氩气流量设定为500ml/min，溅射10min后，继续通入氮气，调节氮气
流量设定为800ml/min，设定镀膜温度500℃，偏压为70v，设定真空度为10-4
pa，保温时间为6h。真空镀膜结束后，关闭氮气和氩气阀门，待炉温降到100℃以下，试样取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
38.按照标准jb/t 8554、jb/t 7707、iso14477-1分别对该复合强化层结合强度、厚度、硬度进行分析，由表1中结果可知，强化层厚度为50μm，表面硬度为3790hv、3810hv、3805hv，结合力约53n，没有获得较高的结合力，这主要是由于氮化层表层存在疏松层和白亮层组织缺陷，没有渗氧工艺对白亮层进行还原，降低了氮化物陶瓷涂层与氮化层间的结合强度，导致二者结合力较低。
39.对比例4
40.选用316不锈钢作为实验基体材料，对其表面进行磨削、抛光、离子超声清洗、烘干，然后将其放入离子渗氮炉内，抽真空至＜20pa时，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射5min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例3:1，待温度达到渗氮温度400℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为100pa，保温时间为6h。离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门，调节电压、电流参数，设定离子渗氧温度为400℃，选用一段式渗氧，设定流量6l/min，渗氧15min，炉内气氛压力100pa。离子渗氧结束后，待炉温降到100℃以下，试样从炉内取出，最后将其放入离子真空镀膜炉内，镀膜靶材为si靶、cr靶、cral靶，调节电压、电流起辉，随后通入氩气进行离子溅射，氩气流量设定为500ml/min，溅射10min后，继续通入氮气，调节氮气流量设定为800ml/min，设定镀膜温度500℃，偏压为70v，设定真空度为10-4
pa，保温时间为6h。真空镀膜结束后，关闭氮气和氩气阀门，待炉温降到100℃以下，试样从炉内取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
41.按照标准jb/t 8554、jb/t 7707、iso14477-1分别对该复合强化层结合强度、厚度、硬度进行分析，由表1中结果可知，强化层厚度为54μm，表面硬度为3790hv、3780hv、3800hv，结合力仅为70n，这主要是，虽然增加了氮化层和氧化层，但离子渗氧工艺为单段式6l/min，保温15min，氧气流量没有梯度调控，渗氧过程中氧化层内部应力持续堆积，另外生成了除四氧化三铁相外的其他氧化物相，不能有效改善耐腐蚀性能，氮化层内部疏松多孔结构没有得到充分优化，最终导致渗氮层与纳米复合陶瓷层间的结合力较低，使其表层氮化物涂层与基体结合强度差；按照标准astm g133对强化层进行摩擦磨损实验，采用往复式摩擦方式，摩擦实验温度为室温，设定载荷80n，往复长度5mm，运行速度800t/min,磨损时间10min，由表1中结果可知摩擦失重为47*10-3
mm3，摩擦系数为0.60，可知其耐磨性能一般，这主要由于该强化层与基体结合不够牢固，耐磨性能没有获得显著提升；对该强化层进行电化学腐蚀实验，nacl盐溶液浓度为3.5％，由图2可知自腐蚀电位约为-400mv，对腐蚀后的表面形貌进行观察未发现起皮、脱落现象，耐蚀性优于对比例中的单一强化层。综上，该复合强化层硬度较高，耐磨、耐蚀性能一般，主要是因氮化层表面疏松缺陷，氮化物涂层与氮化层结合强度差，限制了复合强化层的综合性能。
42.实施例1
43.选用316不锈钢作为实验基体材料，对其表面进行磨削、抛光、离子超声清洗、烘干，然后将其放入离子渗氮炉中，抽真空至＜20pa时，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射5min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例3：1，待温度达到渗氮温度400℃时开始计时进行渗氮，设定渗氮气氛压力为100pa，保温时间为6h。离子渗氮结束后，
关闭氮气和氢气阀门，调节电压、电流参数，设定离子渗氧温度为400℃，设定氧气流量为2l/min，渗氧5min；氧气流量4l/min，渗氧5min；氧气流量6l/min，渗氧5min，炉内气氛压力100pa。离子渗氧结束后将其放入离子真空镀膜炉中，镀膜靶材为si靶、cr靶、cral靶，调节电压、电流起辉，随后通入氩气进行离子溅射，氩气流量设定为500ml/min，溅射10min后，继续通入氮气，调节氮气流量设定为800ml/min，设定镀膜温度500℃，偏压为70v，设定真空度为10-4
pa，保温时间为6h。真空镀膜结束后，关闭氮气和氩气阀门，待炉温降到100℃以下，试样取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
44.按照标准jb/t 8554、jb/t 7707、iso14477-1分别对该复合强化层结合强度、厚度、硬度进行分析，由表1中结果可知，强化层厚度为56μm，表面硬度为3820hv、3810hv、3800hv，结合力为110n，是其他强化层的2倍以上，这主要是由于增加了氮化层作为承载层，并通过设计三段离子渗氧工艺，流量分别设定为2l/min、4l/min、6l/min三个阶段，该三段渗氧法确保氧化层内部较小的残余应力，使氧化层牢固生长在氮化层上，调控阶梯渗氧工艺确保了四氧化三铁为主要物相，还原了氮化白亮层，避免了氮化层表面疏松多孔缺陷，使氮化层组织致密，提升了氮化物涂层与氮化层结合力，保证复合强化层结合强度；按照标准astm g133对强化层进行摩擦磨损实验，采用往复式摩擦方式，摩擦实验温度为室温，设定载荷80n，往复长度5mm，运行速度800t/min,磨损时间10min，由表1中结果可知摩擦失重仅为21*10-3
mm3，摩擦系数为0.54，其耐磨性能最优，这主要由于该强化层与基体结合牢固，表面硬度较高，耐磨性能获得显著提升；对该强化层进行电化学腐蚀实验，nacl盐溶液浓度为3.5％，由图2可知自腐蚀电位提升至-300mv，对腐蚀后的表面形貌进行观察未发现起皮、脱落现象，耐蚀性性能较佳。综上，通过优化工艺对复合强化层组织结构进行改进，使其结合强度高，表面硬度高，且摩擦系数小，该复合强化层同时组合了各单一强化层性能优势，具有较优的耐磨耐蚀综合性能。
45.实施例2
46.选用316不锈钢作为实验基体材料，对其表面进行磨削、抛光、离子超声清洗、烘干，然后将其放入离子渗氮炉中，抽真空至＜20pa时，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射20min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例3：1，待温度达到渗氮温度300℃时开始计时进行渗氮，设定渗氮气氛压力为150pa，保温时间为7h。离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门，调节电压、电流参数，设定离子渗氧温度为300℃，设定氧气流量为3l/min，渗氧5min；氧气流量5l/min，渗氧5min；氧气流量5l/min，渗氧5min，炉内气氛压力100pa。离子渗氧结束后将其放入离子真空镀膜炉中，镀膜靶材为si靶、cr靶、cral靶，调节电压、电流起辉，随后通入氩气进行离子溅射，氩气流量设定为600ml/min，溅射20min后，继续通入氮气，调节氮气流量设定为600ml/min，设定镀膜温度450℃，偏压为100v，设定真空度为10-3
pa，保温时间为7h。真空镀膜结束后，关闭氮气和氩气阀门，待炉温降到100℃以下，试样取出，对其表面进行抛光处理，确保最终表面粗糙度ra≤0.2μm。
47.按照标准jb/t 8554、jb/t 7707、iso14477-1分别对该复合强化层结合强度、厚度、硬度进行分析，由表1中结果可知，强化层厚度为52μm，表面硬度为3796hv、3802hv、3788hv，结合力为107n，是其他强化层的2倍以上，这同样归因于增加了氮化层作为承载层，且通过设计三段离子渗氧工艺，流量分别设定为3l/min、5l/min、5l/min三个阶段，该三段渗氧法确保氧化层内部较小的残余应力，使氧化层牢固生长在氮化层上，调控阶梯渗氧工
艺确保了四氧化三铁为主要物相，还原了氮化白亮层，避免了氮化层表面疏松多孔缺陷，使氮化层组织致密，提升了氮化物涂层与氮化层结合力，保证复合强化层结合强度；按照标准astm g133对强化层进行摩擦磨损实验，采用往复式摩擦方式，摩擦实验温度为室温，设定载荷80n，往复长度5mm，运行速度800t/min,磨损时间10min，由表1中结果可知摩擦失重仅为25*10-3
mm3，摩擦系数为0.55，其耐磨性能最优，这主要由于该强化层与基体结合牢固，表面硬度较高，耐磨性能获得显著提升；对该强化层进行电化学腐蚀实验，nacl盐溶液浓度为3.5％，由图2可知自腐蚀电位提升至-350mv，对腐蚀后的表面形貌进行观察未发现起皮、脱落现象，耐蚀性性能相对较优。综上，通过优化工艺对复合强化层组织结构进行改进，使其结合强度高，表面硬度高，且摩擦系数小，该复合强化层同时组合了各单一强化层性能优势，具有较优的耐磨耐蚀综合性能。
48.表1强化层性能检测结果
[0049][0050]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层，其特征在于：所述复合强化层由承载层、过渡层、功能层组成；承载层为渗氮层，过渡层为渗氧层，功能层为纳米复合陶瓷层；其中渗氧层是通过三段式离子渗氧工艺制备得到。2.根据权利要求1所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层，其特征在于：渗氮层的硬度为1000hv～1300hv；纳米复合陶瓷层硬度为3000hv～4000hv；三段式离子渗氧工艺：离子渗氧介质为空气；离子渗氧温度为250℃～400℃，渗氧流量分别为2l/min-3l/min，4l/min-5l/min，5l/min-6l/min，炉内气氛压力50pa～150pa。3.根据权利要求1所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，其特征在于：(1)首先对钢材基体表面磨削、抛光、离子清洗，随后将钢材基体放入离子渗氮炉内，抽真空至一定真空度后，通入氢气进行离子溅射，然后通入渗氮介质进行离子渗氮；(2)渗氮结束后通入氧化介质进行三段式离子渗氧工艺；离子渗氧介质为空气；离子渗氧温度为250℃～400℃，渗氧流量分别为2l/min-3l/min，4l/min-5l/min，5l/min-6l/min，炉内气氛压力50pa～150pa；(3)最后将试样放入真空镀膜机内，通入沉积气氛介质，采用非平衡磁控溅射技术沉积纳米结构复合陶瓷层。4.根据权利要求3所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，其特征在于：步骤(1)通入氢气进行溅射时间5min～30min；渗氮介质为氮气和氢气混合气体，离子渗氮温度为250℃～500℃，保温时间1h～9h，渗氮炉内气氛压力为低压20pa～150pa。5.根据权利要求3所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，其特征在于：步骤(3)纳米复合陶瓷层采用真空离子沉积氮化铬层和多元氮化物层的复合层。6.根据权利要求3所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，其特征在于：氮化铬层和多元氮化物层的复合层为crn-cralsin纳米复合涂层。7.根据权利要求3所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，其特征在于：离子渗氮后的渗氮层，硬度为1000hv～1300hv，厚度为20μm～300μm；渗氧层厚度为1μm～3μm；纳米结构复合陶瓷层的硬度为3000hv～4000hv，厚度为1μm～10μm。8.根据权利要求3所述金属表面的高耐磨耐蚀复合强化层的制备方法，其特征在于：复合强化层总厚度为22μm～310μm，表面粗糙度ra≤0.2μm。

技术总结
本发明涉及一种金属表面高耐磨耐蚀复合强化层及其制备方法，该复合强化层由承载层、过渡层、功能层组成，承载层为渗氮层，过渡层为渗氧层，功能层为纳米复合陶瓷层，承载层制备方法为离子渗氮，厚度为20μm～300μm；过渡层厚度为1μm～3μm，通过三段离子渗氧制备得到；功能层制备方法为真空离子沉积氮化铬层和多元氮化物层的复合层。本发明的复合强化层内应力小，组织结构致密，结合强度高，表面硬度高，摩擦系数小，该复合强化层组合了单一强化层性能优势，即有较优的耐磨性能，又兼备较优的耐蚀性能，特别提升了零件在服役工况中的耐磨、耐蚀性能，特别适合用于化工球阀的密封面强化。强化。


技术研发人员：胡静 武计强 卢阳阳 魏伟 安旭龙
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20