专利名称：一种经表面复合处理的铸铁零件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铸铁零件。
背景技术：
铸铁是一种常规金属材料，广泛用于制作各类设备机架、支架及滑动轴承座，但因硬度低，耐磨性差，耐蚀性差(常规的铸铁件的硬度为47(T530HV，摩擦系数为0. 4^0. 6，比磨损率为IlX 10_15)，使其应用受到较大限制；而铸铁中的石墨又会吸附很多气体，导致所有涉及真空的处理工艺都不适于在铸铁上应用，致使铸铁的表面处理受到很大局限。
实用新型内容本实用新型的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种经表面复合处理的铸铁零件的改进，该铸铁件应具有较高的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。本实用新型提供的技术方案是一种经表面复合处理的铸铁零件，包括铸铁基体，其特征在于，在基体表面由内而外依次包覆着厚度为2 310um的用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理的预处理层、厚度为5 30um的硬质耐磨层以及厚度为2. 5^8um的固体润滑减摩层。所述预处理层为离子氮化层，或者是化学镀层，或者是电镀层。所述的离子氮化层包括从基体深处至基体表面依次包覆厚度为25 300um的扩散层和厚度为(TlOum的氮化白亮层；所述氮化白亮层中的氮原子的含量为5 40%。所述化学镀层以及电镀层均为镍原子镀层或铬原子镀层；镍原子镀层或铬原子镀层中掺有粒度为0. 5 IOum的金刚石粉或陶瓷改性粉，掺入比例为(Tl0%。所述的硬质耐磨层从预处理层表面垂直方向自内向外依次为Cr打底层、CrN过渡层、CrMoN合金镀层；其中，Cr打底层厚度为0. 2 2um，成分为Cr ;CrN过渡层厚度为0. 3 2um，氮原子与铬原子的比例为(T4. 3 I ;CrMoN合金镀层厚度为3 30um，其中Cr原子的比例为20 30%，Mo原子的比例为20 30%，氮原子的比例为40 60%。所述的固体润滑减摩层从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外依次为纯Cr打底层、过渡层、碳基固体润滑层；其中，纯Cr打底层厚度为0. 2 2um，成分为Cr ;过渡层厚度为0. 3^1. 5um，碳原子与Cr原子的比例是(T80:1，碳基固体润滑层厚度为0. 8^5um,Cr原子与碳原子的原子比为I : 82 85。本实用新型的有益效果是由于所提供的铸铁件具有较高的表面硬度，较好的耐磨性能以及较强的耐蚀性(硬度达到1800mT2800HV，结合力Lc>80N，摩擦系数为0. 04 0. 07，比磨损率为0. 3X 10_16 0. 6X 10_16,开路电位为-0. 25V -0. 07V)，还提高了铸铁件在恶劣环境下的使用寿命，进而大幅度扩展了应用范围，降低了制造成本。本实用新型提供的铸铁件表面复合处理方法，有效解决了铸铁件不宜真空处理的行业惯例，使真空表面处理方法应用于铸铁件，处理后的铸铁件的各项性能远远超过常规表面处理的水平。此外，该处理方法简单，工艺稳定且可重复性高，适合规模化生产。
图I为本实用新型所述铸铁件的表面镀层结构的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例进一步说明。如图所示，该铸铁件中，在基体I表面由内而外依次包覆着厚度为2 310um的预处理层2、厚度为5 30um的硬质耐磨层3以及厚度为2. 5^8um的固体润滑减摩层4 ;预处理层用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理。所述的离子氮化层的扩散层中，氮含量从基体深处至基体表层越来越高。所述CrN过渡层中，氮原子与铬原子的比例为(T4. 3 1，从预处理层表面垂直方 向自内向外，是一个氮原子含量逐渐增多的过程。所述的固体润滑减摩层的过渡层中，从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外Cr原子逐渐减少，碳原子逐渐增多。本实用新型所述的对铸铁件表面的复合处理方法，通过闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备(外购设备)实现。除特别注明之外，本文所述比例均为原子数量比。实施例I表面经1200#砂纸打磨过的滑动轴承座，用清洗溶剂(丙酮)进行超声波清洗20分钟，装于离子氮化炉工件夹具上；腔体抽真空至40Pa以下，通入纯度彡99. 9%的氮气和氢气的混合气体(氮气和氢气的混合比例为1:3 1:6)，加电压40(T800V，先进行打弧清理；待稳定后，逐步提高腔体气压，增大电流强度，使工件升温进行氮化扩散。腔体气压为20(T600Pa，氮化的温度控制在50(T520°C，保温时间10h。将氮化好的工件放入非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室的旋转试样架上，氩气流量IOsccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟。偏压-65V时沉积Cr打底层5min，Cr靶输入功率2kW ;接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制CrN过渡层，时间60min，其它参数与制备Cr打底层一样；最后打开Mo靶，靶输入功率2kW，时间8小时，其它参数与上一步骤一样。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是5rpm。工件冷却后取出，直接放入另一非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室的旋转试样架上，氩气流量IOsccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟；偏压-60V时沉积打底层5min，Cr靶输入功率2kW。接着Cr靶的功率逐渐降低为0. 5kw,石墨靶的功率逐渐升高至2kw，其它参数与制备Cr打底层一样，最后保持此参数沉积6小时。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是3rpm。所得工件根据以下方式检测处理层的硬度用纳米压入仪测量，每一试样在不同位置测量6点取平均值。处理层厚度分别用球坑仪和断面扫描电镜测定。处理层耐磨性和摩擦系数用球盘磨损试验机测量，对磨材料为直径5mm的WC-6%Co硬质合金球，相对滑动速度200m/min，载荷20N，磨损时间30min。用HT3001划痕仪定量测量镀层的结合强度，测试其膜基破坏临界载荷Lc，载荷从ION加到100N，滑动速度10mm/min。用PARC (EG&G Princeton Applied Research Corp)公司的 M2273 电化学综合测试系统测量处理层的电化学腐蚀性能。检测结果为扩散层厚度为80um,氮化白亮层厚度为5um。硬质耐磨层厚度为27um ;其中，Cr打底层厚度为0. 3 y m，CrN过渡层厚度为2. 9 y m，CrMoN合金镀层的总厚度为23. 8 ii m。固体润滑减摩层的厚度是3. 2um,硬度是1800HV，结合力Lc>80N，摩擦系数为0. 05^0. 07，比磨损率为0. 5父10_16，开路电位(抗腐蚀指标)为-0. 28V。实施例2 铸铁活塞环(发动机活塞环)经化学除油一清洗一浸酸活化一冷水清洗一去离子水洗等之后，在电镀溶液中加入粒度为Ium的陶瓷粉末并充分搅拌，其余按常规电镀操作进行电镀铬作业，温度58飞(TC，时间15 18min，完成之后取出工件，清洗，烘干后置于真空镀层设备内的旋转试样架上，其它所有实施过程和参数同实施例I。检测结果是电镀铬层厚度为115 ym，陶瓷粉掺入重量比例为5% (比例为检测结果)；硬质耐磨层厚度为27um，固体润滑减摩层的厚度是3. lum。硬度是1800HV，结合力Lc>80N,摩擦系数为0. 05 0. 07，比磨损率为0. 3X 10_16，开路电位为-0. 18V。实施例3铸铁发动机活塞杆，按照实施例I流程制备完成硬质耐磨层，之后将工件放进非平衡磁控溅射离子镀设备的真空室内，氩气流量IOsccm时真空度2Pa，用500V偏压等离子体轰击清洗基体表面20分钟。偏压-65V时，Cr靶输入功率2kW，沉积打底层5min ;接着通入氮气并逐渐增加氮气流量镀制过渡层，时间60min，其它参数与制备打底层相同；然后开启射频电源，电源为800V，并慢慢通入纯度为99. 9%的乙炔气体，其它参数与上一步骤相同。在整个镀制过程中，脉冲偏压的参数为频率500kHz，脉冲宽度250ns，工件所在的旋转试样架的转速是5rpm。检测结果是扩散层厚度为80um,氮化白亮层厚度为5um。硬质耐磨层厚度为27um，固体润滑减摩层的厚度是2. 5um。硬度是2800HV，结合力Lc=80N，摩擦系数为0. 03 0. 05，比磨损率为0. 3X10—16，开路电位为-0. IOV。
权利要求1.一种经表面复合处理的铸铁零件，包括铸铁基体，其特征在于，在基体表面由内而外依次包覆着厚度为2 310um的用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理的预处理层、厚度为5 30um的硬质耐磨层以及厚度为2. 5^8um的固体润滑减摩层； 所述预处理层为离子氮化层，或者是化学镀层，或者是电镀层； 所述的硬质耐磨层从预处理层表面垂直方向自内向外依次为Cr打底层、CrN过渡层、CrMoN合金镀层； 所述的固体润滑减摩层从硬质耐磨层表面垂直方向自内向外依次为纯Cr打底层、过渡层、碳基固体润滑层。
2.根据权利要求I所述的一种经表面复合处理的铸铁零件，其特征在于所述的硬质耐磨层中，Cr打底层厚度为O. 2^2um ;CrN过渡层厚度为O. 3^2um ;CrMoN合金镀层厚度为3 30um。
3.根据权利要求2所述的一种经表面复合处理的铸铁零件，其特征在于所述的固体润滑减摩层中，纯Cr打底层厚度为O. 2^2um ;过渡层厚度为O. 3^1. 5um，碳基固体润滑层厚度为 O. 8 5um。
4.根据权利要求2或3所述的一种经表面复合处理的铸铁零件，其特征在于所述的离子氮化层包括从基体深处至基体表面依次包覆的厚度为25 300um的扩散层和厚度为(TlOum的氮化白亮层。
5.根据权利要求4所述的一种经表面复合处理的铸铁零件，其特征在于所述化学镀层以及电镀层均为镍原子镀层或铬原子镀层。
专利摘要本实用新型涉及一种铸铁零件。所要解决的技术问题是提供的铸铁件应具有较高的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。技术方案是一种铸铁件，包括铸铁基体，其特征在于，在基体表面由内而外依次包覆着厚度为2~310μm的用于对铸铁基体中的石墨相进行封孔处理的预处理层、厚度为5~30μm的硬质耐磨层以及厚度为2.5~8μm的固体润滑减摩层。所述预处理层为离子氮化层，或者是化学镀层，或者是电镀层。所述的离子氮化层包括从基体深处至基体表面依次包覆厚度为25~300μm的扩散层和厚度为0~10μm的氮化白亮层；所述氮化白亮层中的氮原子的含量为5~40%。
文档编号C23C14/22GK202412822SQ201220023739
公开日2012年9月5日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者于磊, 周丹华, 张碧云, 李凡巧 申请人:浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司