[摘 要] 根据高能束对镀铬涂层及其界面强化机制的不同,镀铬/高能束表面复合技术可分为两类:高能束强化镀铬涂层复合技术和高能束预处理基体/镀铬复合技术。前者典型代表有激光表面强化或等离子体氮化/镀铬涂层;后者主要代表是激光预淬火基体/镀铬复合表面处理。综合阐述了上述3种典型的复合处理技术的原理、目的及实际综合效果;通过试验初步探讨了激光预淬火基体/镀铬复合技术延长镀铬身管寿命的主要机理。
[关键词] 高能束复合处理;镀铬;界面强化
0 前 言
利用激光束、电子束、离子束等高能束对材料表面进行改性或合金化的技术是近30年来迅速发展起来的材料表面处理新技术,其原理就是利用激光束、电子束和等离子体束作为热源,通过改变材料表面的局部成分或结构,实现对材料的局部表面改性[1, 2]。高能束表面处理技术主要包括两个方面[3, 4]:一是利用激光器和电子发生器可获得极高的加热和冷却速度,可制成微晶、非晶及其他一些奇特的亚稳态合金,从而赋予材料表面以特殊的性能;二是利用离子注入或等离子体氮碳化技术将异类原子直接引入表面层中进行表面合金化,以改善材料表面的耐磨性及耐蚀性。另外,高能束表面处理技术具有能量密度高、热影响区域小、加工位置可控性好,易于实现自动化、智能化等优点。
镀铬层因具有耐磨性好、硬度高、摩擦系数低、熔点高等优异的性能,被广泛应用于机械零部件以及武器身管内膛等表面,钢基体镀铬在高温、强腐蚀、高磨损等极端工况下应用非常普遍。然而,由于镀铬层含有许多显微裂纹而且质地硬且脆,其在高温、强腐蚀、高磨损等极端的工况下开裂和局部剥落往往导致高温强腐蚀的气体烧蚀基体[5~7]。随着各种机械及武器等零部件对表面性能和可靠性的要求越来越高,镀铬工件的工况更加苛刻,镀铬层的过早开裂和局部剥落失效问题日益突出,传统的单一表面镀铬处理技术已无法满足实际需求。
众所周知,基体与镀铬界面处的组织结构及性能是影响镀铬层开裂和局部剥落的关键因素之一。为缓解和抑制镀铬层过早的开裂和局部剥落,国内外许多学者提出将传统的镀铬技术与先进的高能束表面处理技术相结合即镀铬/高能束表面复合处理技术,通过它们之间的协同作用,发挥各自优势,从而改善镀铬层与基体界面处的组织结构以及镀铬层的组织结构,增强镀铬层的抗腐蚀性和抗剥落能力[8~23]。
为促进高能束表面处理技术与镀铬技术复合的应用和研究,本工作首先根据高能束/镀铬复合技术的研究现状对其加以分类,随后对典型的复合处理工艺进行了阐述,并对激光预处理基体镀铬复合工艺进行试验分析,初步探讨了镀铬层寿命延长的主要机理。
1镀铬高能束表面复合处理技术分类
目前,高能束表面处理技术对镀铬层的强化处理主要有激光束/镀铬的复合处理、等离子体氮(碳)化/镀铬的复合处理以及离子注入/镀铬的复合处理等[8~23]。利用高能束强化镀铬层的界面可概括为两类:一是利用高能束对镀铬层及其界面同时强化处理;二是利用高能束预处理基体,通过改变基体表层的组织结构及性能实现调整镀铬层界面处组织结构及性能。根据高能束对镀铬层及其界面强化机制的不同,镀铬/高能束复合处理技术可分为两类:高能束强化镀铬涂层复合技术和高能束预处理基体/镀铬复合技术。前者主要设计思路:在镀铬涂层制备后利用高能束表面处理技术对镀铬层及其界面同时强化,以减少镀铬层中的微裂纹,通过界面冶金或界面扩散实现镀铬层与基体间的冶金结合。激光表面强化镀铬层和等离子体氮(碳)化镀铬层是其典型的复合技术[8~18]。后者从镀铬层制备工艺的角度出发,基于镀铬层/基体间界面的组织结构及性能主要由基体的表面状态和电沉积方法及工艺参数所决定,在优化的电镀工艺条件下,通过高能束表面处理改善基体表层的组织结构及性能,从而改善镀铬层/基体界面的组织结构,提高镀铬层的抗开裂及局部剥落等能力。激光预处理基体/镀铬表面复合处理是其典型的复合技术[9~23]。
2激光表面强化镀铬层复合处理
20世纪70年代末,美国的R. S. Montgomery[8]首先对激光束表面处理镀铬层进行了研究,其目的是通过实现镀铬与基体间冶金结合以提高镀铬层结合力,其结果显示在实现镀铬层与基体间冶金结合的条件下,由于镀铬层和钢基体的熔点差别较大,在激光束高温作用下,镀铬层发生再结晶,而界面处的钢基体重熔凝固。由于界面处的钢基体重熔再结晶过程中伴随着铬原子的扩散,在界面处形成一层脆硬而耐腐蚀的Fe-Cr合金扩散层,扩散层下的钢基体形成高硬度的未回火马氏体。虽然镀铬层的再结晶使原镀铬层中的许多微裂纹消失,但是镀铬层发生很大的软化,而且更易于破碎。耐磨性试验证实激光处理过的镀铬层耐磨性比原始镀铬层更差。20世纪80~90年代,安世民等[9~14]对激光处理镀铬的组织与性能变化进行了研究,结果显示激光处理过的镀铬层中的组织由柱状晶向等轴晶转变,缺陷较少,致密度提高,硬度下降,在适当的工艺条件下,在镀铬层未熔融而紧靠铬层的钢基体熔化状态下,在固-液两相界面附件形成Fe-Cr合金的扩散层,其耐腐蚀性极高,同时基体被部分淬火,硬度升高;这些试验结果与R. S. Montgomery的研究结果相吻合。
总之,先镀铬后激光束表面复合处理使镀铬层的硬度大幅度降低,即发生软化,而且更易于破碎,耐磨性更差,因此该复合工艺未取得良好的综合效果,其实际应用未见报道。
3 等离子体氮(碳)化镀铬层复合处理
由于镀铬层通常含有许多微裂纹,腐蚀性介质往往通过这些微裂纹腐蚀铬层下的基体,因此这些微裂纹降低了镀铬层的耐腐蚀性;另外镀铬层的硬度随着温度的上升而下降,在高温条件下导致镀铬层的耐磨性降低。为了克服这些缺点,不少学者利用离子注入或等离子体氮(碳)化处理镀铬层,这样镀铬层的表面形成一层氮化铬[15~18]。等离子体氮(碳)化处理镀铬层不仅可以消除镀铬层表层的微裂纹,而且在镀铬表层形成一层高硬度的CrN,提高了镀铬层的耐磨性和耐蚀性。同时由于长时间的高温作用,镀铬层与基体界面形成一扩散层,提高了镀铬层的界面结合强度[18]。然而,等离子体氮化效率较低,成本高,高温条件对基体性能影响较大,特别是当零件形状复杂时,等离子体氮(碳)化难以实现。
4激光预处理基体/镀铬复合处理技术
目前其典型应用是将激光处理的材料表面直接作为工作表面,获得良好的应用效果如激光毛化[24~25],激光表面淬火等。然而,激光预淬火基体/镀铬复合技术利用激光对基体材料的表面改性优势,通过基体/镀铬层间界面及镀铬层间接发挥作用。由于镀铬层的制备温度较低,一般在40~80℃范围内,该温度范围不会对激光预处理材料的表面结构及性能产生影响,同时除保持镀铬层的各种优异性能外,激光预处理基体的表层因具有较高的硬度,缓解了镀铬层/基体间的硬度梯度,提高了镀铬层的承载能力,从而减缓了镀铬层过早的开裂或失效。因此,激光预淬火基体后镀铬层的复合处理技术可把激光表面强化和镀铬层的优势结合起来。
激光预淬火基体后镀铬层的复合处理技术先后由中国科学院力学研究所和德国莱茵公司于1999年先后提出[19~20],而且成功地解决了我国某型号武器镀铬身管的寿命长期不达标的关键技术难题。另外,利用该复合技术制备的镀铬身管的寿命提高了50%以上,初步试验结果表明,在高温、强腐蚀及复杂的机械载荷作用下,该复合工艺制备的镀铬层的抗剥落能力大幅度提高[21]。
该复合处理工艺延长镀铬层的寿命初步机理分析:一般认为基体的淬火有利于提高基体对镀层的支撑作用,提高镀铬层的抗疲劳和抗剥落的能力,并未考虑基体表面预处理对镀层及其界面组织结构的影响[26]。在低温工况下,可以认为基体激光处理提高了基体对镀层的承载能力和抗疲劳能力,从而提高镀铬层的界面抗剥落能力。然而,在高温、强腐蚀及复杂载荷作用等极端工况下,高温作用很快导致基体软化,在这种条件下身管寿命仍然能够延长50%以上。因此利用基体激光处理延长基体对镀层的支撑作用解释镀铬身管寿命提高证据并不充分,必有其他内在的本质原因,其中基体表面激光预处理对镀层及其界面的组织结构的影响是一个关键因素。
根据电镀理论[27],镀铬层与基体界面的组织微结构是影响镀铬层使用寿命的关键因素之一。利用离子刻蚀法和溶解基体法研究了镀铬层与基体界面微结构特征见图1、图2。从图1中可以看出原始基体/镀铬层间界面存在一层大约2Lm厚的/夹杂层0,而激光相变淬火基体/镀铬层界面处不存在上述所谓的/夹杂层0,且其界面非常平整。文献[19]也指出了上述/夹杂层0,但并未阐述其形成的原因。图2显示了激光淬火基体对镀铬层组织结构及形貌的影响,基体激光淬火区上的镀铬层组织/晶粒细化,而且表面非常光滑平整。根据图2可以清晰反映上述/夹杂层0,因为激光淬火基体,不仅改变基体表层的微观组织结构,而且对初始镀铬层的组织结构及形貌产生很大的影响。这些基体/镀铬层界面微结构的差异可能就是激光预处理基体/镀铬复合工艺提高的镀铬层寿命主要原因。关于激光淬火基体对电沉积镀铬层及其界面的组织结构及力学性能影响机理今后将进一步研究。揭示基体激光表面改性对电沉积镀铬层的组织结构及力学性能影响机理不仅为解释激光预处理基体/镀铬复合技术提高镀铬层的抗剥落能力提供理论基础,将该界面强化机理应用到其他电沉积涂层提供理论基础,而且这可望为提高电沉积涂层界面的抗破坏能力提供一种新的途径和思路。
5 总 结
激光预处理基体/镀铬表面复合处理技术是一种新型的表面复合处理技术,其良好的综合效果已被实际应用所证实,但激光淬火基体与镀铬层界面微观结构及其力学性能等基础理论需要进一步解释清楚,为该复合技术及相类似的技术推广提供坚实的理论基础;高能束预处理基体/其他涂层技术复合可能产生良好的综合效果。
参考文献略
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