提高不锈钢表面耐磨性的表面处理技术

　　1.介绍

　　不锈钢因其优异的耐腐蚀性而被广泛应用于石油、化工、航空航天、医药、造纸、原子能、海洋工程和装饰工程。但不锈钢的硬度通常较低(通常为200~250 HV)，耐磨性较差，表面容易起霜，不仅会影响装饰产品的美观，而且表面出现微划痕时会形成腐蚀性的微孔，从而降低产品的耐腐蚀性，导致产品过早报废。基于不锈钢的传动轴、啮合件或动配合件，由于不锈钢柔软不耐磨、表面强度低、摩擦系数大等因素，经常会发生啮合或卡死。为了提高不锈钢的耐磨性，许多学者对不锈钢表面进行了各种处理和强化研究，如通过化学镀在不锈钢表面沉积耐磨涂层，可以提高产品的表面硬度，保证产品的耐腐蚀性。本文简要总结了涂层技术和表面改性处理在提高不锈钢耐磨性方面的技术局限性和优势，并展望了提高不锈钢耐磨性的发展方向。

　　2.不锈钢表面涂层技术

　　2.1、化学镀

　　化学镀是由A.Brenner和G.Riddell于1947年提出的一种沉积未抛光镍的镀覆方法，是一种无需外加电源沉积金属的可控氧化还原反应过程。与电镀相比，化学镀具有以下优点:可以在复杂零件表面沉积均匀的镀层；自润滑性好；涂层厚；差距少；设备简单，操作方便；涂层具有特殊的机械、物理和化学性能。其缺点是镀液使用寿命短，废水多，镀速慢，成本高。

　　化学镀提高不锈钢耐磨性的主要途径是镀镍及其合金镀层。镀镍前需要进行特殊的预处理，以去除不锈钢表面的钝化膜，提高不锈钢与镀层的附着力。不锈钢化学镀镍包括单层化学镀镍、双层化学镀镍和含垢不锈钢单层化学镀镍。

　　在316L不锈钢基体上获得了具有良好结合力的化学镀镍层。在保证产品原有光泽度的前提下，涂层的硬度比原来的不锈钢基材有很大的提高，为提高不锈钢产品的耐磨性和抗划伤性提供了有效的解决方案。艺英仔，饭豆吴等。还成功地通过化学镀在420不锈钢基体上沉积了Ni2PPNi2W2P合金镀层，并进行了适当的热处理。发现Ni2W2P合金镀层比Ni2P合金镀层具有更高的显微硬度和化学稳定性。划痕试验表明，合金涂层的耐磨性比不锈钢基体有明显提高。

　　2.2、物理气相沉积

　　物理气相沉积(PVD)技术使用蒸发或溅射从靶源去除材料，然后使用真空或半真空空间将这些携带能量的粒子沉积在衬底或部件的表面上以形成薄膜。物理气相沉积包括真空蒸发(VE)、溅射镀膜(SIP)、离子镀(IP)等。根据加热蒸发源的分类，真空蒸发包括电阻加热蒸发、电子束加热蒸发、感应加热蒸发等；溅射镀膜包括磁控溅射沉积、离子束溅射镀膜等。其中真空蒸发是一种早期的镀膜技术，膜层附着力低，目前应用不广泛。然而，阴极溅射和离子镀得到的薄膜具有较高的结合力，其应用范围正在扩大。物理气相沉积涂层的实用领域有:装饰膜、装饰耐磨膜、耐磨超硬膜、减摩润滑膜等。

　　用磁过滤沉积装置(FCAP)在1Cr18Ni9Ti不锈钢上沉积的氮化钛涂层具有较高的硬度和膜基附着力，在1N和3N载荷下表现出较低的摩擦系数和良好的耐磨性。

　　2.3、化学气相沉积

　　化学气相沉积(CVD)技术是指混合气体在高温下与衬底表面的相互作用，使混合气体中的一些成分分解，在衬底上形成金属或化合物的固体薄膜或薄膜涂层。其特点如下:

　　(1)涂层致密均匀，可以很好地控制涂层的密度、纯度、结构和晶粒尺寸；

　　(2)由于沉积温度高，涂层与基体的结合强度高；

　　(3)沉积可以在大气压或低于大气压下进行；

　　(4)沉积层一般为柱状晶体结构，不耐弯曲。

　　采用离子渗氮-等离子体增强化学气相沉积技术对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢进行了表面处理，并对处理层的组织和性能进行了研究。结果表明，复合处理层具有优异的膜基结合强度，其耐磨性较不锈钢基体有显著提高。该工艺采用射频(13156 MHz)等离子体增强化学气相沉积工艺。腐蚀环境下的对比实验表明，薄膜样品与基体的摩擦系数分别约为0.1和0.5，前者的磨损量明显低于后者。

　　2.4、热喷涂

　　热喷涂是利用一些热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助火焰流和高速气体将其雾化，推动这些雾化颗粒喷涂到基体表面，沉积出具有一定功能的涂层。热喷涂可以为工件表面提供耐磨、耐腐蚀和耐高温的涂层。涂层材料与基体之间通常有三种结合方式: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和高速火焰喷涂技术的出现，涂层的性能得到了进一步提高:孔隙率可降低到0.5%~1%；涂层与基体的结合强度可达70~140兆帕。

　　等人分别采用高速火焰喷涂(HVOF)技术和等离子喷涂(ASP)技术在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，并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具有较高的显微硬度和较小的孔隙率，致密的结构和典型的层状结构，提高了涂层的耐磨性。

　　2.5、电镀

　　为了弥补不锈钢柔软、耐磨、摩擦系数高等弱点，常采用电镀的方法来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度钝化的金属。电镀前必须去除钝化膜。经过除油、浸渍、活化、预镀镍和电镀，可获得铬、锌、铜、锡和贵金属镀层。

　　在不锈钢水轮机的基体金属上电镀稀土铬，具有周期性反相。涂层厚度约为0.3毫米。涂层由金属基相和第二相稀土盐颗粒组成。涂层硬度可达900~1000 HV。涂层的耐磨性是母材的25~28倍。产品使用寿命比原不锈钢零件长2~6倍。

　　3.不锈钢表面改性处理

　　3.1.离子注入

　　离子注入是利用加速分离的高能离子束作用于材料表面，从而产生一定厚度的注入层，从而改变材料的表面特性。具体方法如下:工件(金属、合金、陶瓷等。)置于离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏的电压下，将所需元素的离子加速、聚焦并注入工件表面。离子注入可以获得过饱和固溶体、亚稳相、非晶态、平衡合金等不同的结构，大大提高了工件的使用性能。

　　它的优点是:

　　(1)任何元素都可以注入，不受固溶度和扩散系数的影响；

　　(2)可以精确控制元素的注入量，实现大面积局部表面改性；

　　(3)真空进行，工件表面不会被氧化；

　　(4)可获得两种或两种以上不同性能的复合涂层，对工件尺寸影响不大；

　　(5)借助磁分析仪，可以获得纯离子束电流。

　　(6)离子注入直线度和侧向膨胀小，适合微细加工；

　　(7)高速离子可以通过薄膜注入金属基底，在薄膜与基底的界面形成合金层，增强薄膜与基底的结合力，实现辐射增强合金化和离子束辅助增强附着力。