專利名稱：反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷/金屬涂層制備技術(shù)的范疇，特別涉及一種在氮?dú)獗Ｗo(hù)下， 釆用鎢極氮弧焊設(shè)備，以鎢電極作為陰極，以表面預(yù)涂按一定比例配制的石墨 粉和鈦鐵粉金屬基體作為陽(yáng)極，在氣弧燒熔過(guò)程中，被電離的高純氣氣及未被 電離的氮?dú)馀c熔化或熔融的石墨及鈦鐵粉反應(yīng)生成大厚度碳氮化鈦基金屬陶瓷 涂層制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
鈦及其合金因其輕質(zhì)、較高的機(jī)械性能和優(yōu)良的耐蝕性，在化學(xué)工業(yè)、能 源、航空、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但鈦及其合金硬度低、耐磨性差，限制 了其更加廣泛的應(yīng)用，因此有必要提高鈦及其合金表面的耐磨性。碳氮化鈦是
一種性能優(yōu)良、用途廣泛的非氧化物材料，也是一種性能優(yōu)異的涂層材料，它 兼有氮化鈦和碳化鈦的特性和優(yōu)點(diǎn)。與碳化鈦相比，碳氮化鈦的塑性、耐磨性
更優(yōu)異；與氮化鈦相比，碳氮化鈦具有更好的抗粘著磨損和抗磨粒磨損性能、 更低的摩擦因數(shù)。目前，碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層的等離子體化學(xué)氣相沉積、 中溫化學(xué)氣相沉積、空心陰極離子鍍、離子?xùn)|輔助沉積、粉末冶金真空燒結(jié)、 激光熔覆等制備技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和研究。分析上述方法，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們一 般都具有設(shè)備價(jià)格昂貴，工藝復(fù)雜，制備的涂層薄，涂層制備效率低、生產(chǎn)成 本高等一種或幾種缺點(diǎn)，因此限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、制備效率高的碳氮 化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法。本發(fā)明將反應(yīng)合成技術(shù)與氮弧熔覆技術(shù)相結(jié)合，利用熔覆工藝在金屬基體表面原位合成碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層 制備方法，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，釆用傳統(tǒng)直流鎢極氮弧焊焊機(jī)，以鎢電極作為陰極, 以表面預(yù)涂按一定比例配制的石墨粉和鈦鐵粉金屬基體作為陽(yáng)極，熔覆過(guò)程中， 氮弧作用在將陽(yáng)極熔化或熔融的同時(shí)使部分氮?dú)怆婋x，電離的氮?dú)饧拔幢浑婋x 的氮?dú)馀c熔化或熔融的石墨及鈦反應(yīng)[71 + [W] —71N, + C — 式中[W]可以 是氮原子、氮分子或氮離子(N—、 N+)],生成厚度大，硬度高，韌性好，耐磨性 好的碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層
(1) 備料將純度為99.2%~99.5%、 100-400目的鈦鐵粉和純度為 99. 9°/。~99. 99%、 100~400目的石墨粉末按鈦鐵粉中Ti元素和石墨中的C元素的 摩爾分?jǐn)?shù)比Ti:C-2:l配成混合粉末，隨后將上述混合粉末在氬氣保護(hù)下，用球 磨機(jī)研磨30 60分鐘，使之混合均勻，然后用丙酮稀釋自制的粘結(jié)劑將上述研 磨后的混合粉末調(diào)成糊狀，備用。
(2) 打磨用砂紙打磨金屬基體表面直到出現(xiàn)金屬光澤，徹底去除試件表 面的氧化皮、銹蝕及其它污染物。
(3) 清洗用丙酮酒精溶液清洗打磨后的基體表面，徹底去除試件表面的油污。
(4) 預(yù)涂將預(yù)先調(diào)制好的糊狀鈦鐵粉和石墨粉涂覆在經(jīng)打磨和清洗后的 試件表面，涂覆厚度0. 5~2. Omm，涂覆過(guò)程中不斷壓實(shí)涂覆層。
(5) 干燥將涂覆好的試件自然陰干24 30小時(shí)后再將其放置在真空干燥 箱中100 150。C下烘干2~3小時(shí)。
(6) 熔覆用氮弧焊機(jī)進(jìn)行搭接燒熔，工藝參數(shù)為鎢極直徑l 2mm,熔覆電 壓10 12V，熔覆電流30-120A,氮?dú)饬髁?0 15L/min，氮?dú)饧兌?9. 5%~99. 99%， 熔覆速度l~4mm/s,熔覆道次重疊率30%~50%，所述氮弧能量使部分氮?dú)怆婋x并 使陽(yáng)極熔化或熔融，電離的氮?dú)饧拔措婋x的氮?dú)馀c熔化或熔融的陽(yáng)極反應(yīng)合成碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層。
(7)保溫熔覆結(jié)束后將試件放入保溫箱中隨爐冷卻至室溫。
上述的反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法，可以通過(guò)對(duì)石墨 粒度、石墨純度、鈦鐵粉粒度、鈦鐵粉純度、氮?dú)饧兌?、氮?dú)夤┙o量、預(yù)涂厚 度、鎢極直徑、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、道次重疊率等的調(diào)整，可獲 得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂層。
本發(fā)明具有積極的效果本發(fā)明提供的反應(yīng)氣弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷
涂層制備方法，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，采用常規(guī)氮弧熔覆工藝原位合成碳氮化鈦基金 屬陶瓷涂層。本發(fā)明不需要預(yù)先合成碳氮化鈦粉體，而是利用碳氮化鈦形成元 素在氮弧燒熔過(guò)程中通過(guò)反應(yīng)直接合成碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層，方法簡(jiǎn)單， 成本低，提高了碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層的制備效率，從根本上解決了等離子 體化學(xué)氣相沉積、中溫化學(xué)氣相沉積、空心陰極離子鍍、離子?xùn)|輔助沉積、粉 末冶金真空燒結(jié)、激光熔覆等方法存在的問(wèn)題，開(kāi)辟了碳氮化鈦基金屬陶瓷涂 層制備的新途徑。本發(fā)明可通過(guò)調(diào)整石墨粒度、石墨純度、鈦鐵粉粒度、鈦鐵 粉純度、氮?dú)饧兌?、氮?dú)夤┙o量、預(yù)涂厚度、鎢極直徑、焊接電流、焊接電壓、 焊接速度、道次重疊率等以獲得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂層。本發(fā)
明綜合利用熔覆和原位合成技術(shù)，可在金屬基體表面獲得厚度高達(dá)2mm且與基 體呈冶金結(jié)合的碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層，該涂層表面平整，組織致密，熱穩(wěn) 定性高、硬度高、耐磨性好。利用本發(fā)明在Q235鋼表面制備的涂層硬度高達(dá) 2810Hv、耐磨性約是基體的9 14倍。本發(fā)明提供的反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金 屬陶瓷涂層制備方法對(duì)改善金屬零件的表面耐磨性有很高的實(shí)用價(jià)值。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
本實(shí)施例中，在30mnix 15謡x 10mm的Q235試件表面制備碳氮化鈦基金屬 陶瓷涂層，具體實(shí)施方式
如下
(1)將純度為99. 5%、 200目的FeTi25鈦鐵粉和純度為99. 9°/ 、 200目的石墨粉末按鈦鐵粉中Ti元素和石墨中的C元素的摩爾分?jǐn)?shù)比Ti:C=2: 1配成混
合粉末。
(2)將上述混合粉末在氬氣保護(hù)下，用球磨機(jī)中研磨40分鐘。(3 )用丙酮稀釋自制的粘結(jié)劑將上述研磨后的混合粉末調(diào)成糊狀。
(4) 用200目砂紙打磨試件表面直到出現(xiàn)金屬光澤，徹底去除試件表面的氧化皮、銹蝕及其它污染物。
(5) 用丙酮酒精溶液清洗打磨后的試件表面，徹底去除試件表面的油污。
(6) 將預(yù)先調(diào)制好的糊狀粉末涂覆在經(jīng)打磨和清洗后的試件表面，涂覆厚度lmm,涂覆過(guò)程中不斷壓實(shí)涂覆層。
(7) 將涂覆好的試件自然陰干24小時(shí)后再將其放置在真空干燥箱中150'C下烘干2小時(shí)。
(8) 用YC-300WP4VTA型交直流脈沖焊機(jī)進(jìn)行搭接熔覆，工藝參數(shù)為鎢極直徑2mm,焊接電壓IOV，焊接電流IOOA，氮?dú)饬髁?2L/min,氮?dú)饧兌?9. 99%，焊接速度3mm/s，熔覆道次重疊率40%±2%。
(9) 熔覆結(jié)束后將試件放入保溫箱中緩冷至室溫。
權(quán)利要求
1.一種反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法，其特征在于采用鎢極氮弧焊設(shè)備，以鎢電極作為陰極，以表面預(yù)涂按一定比例配制的石墨粉和鈦鐵粉金屬基體作為陽(yáng)極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下利用氮弧熱源進(jìn)行熔覆，在金屬基體表面反應(yīng)合成碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層，包括以下步驟(1)備料將純度為99.2％～99.5％、100～400目的鈦鐵粉和純度為99.9％～99.99％、100～400目的石墨粉末按鈦鐵粉中Ti元素和石墨中的C元素的摩爾分?jǐn)?shù)比Ti∶C＝2∶1配成混合粉末，隨后將上述混合粉末在氬氣保護(hù)下，用球磨機(jī)研磨30～60分鐘，使之混合均勻，然后用丙酮稀釋自制的粘結(jié)劑將上述研磨后的混合粉末調(diào)成糊狀，備用；(2)打磨用砂紙打磨金屬基體表面直到出現(xiàn)金屬光澤，徹底去除試件表面的氧化皮、銹蝕及其它污染物；(3)清洗用丙酮酒精溶液清洗打磨后的基體表面，徹底去除試件表面的油污；(4)預(yù)涂將預(yù)先調(diào)制好的糊狀鈦鐵粉和石墨粉涂覆在經(jīng)打磨和清洗后的試件表面，涂覆厚度1.0～2.0mm，涂覆過(guò)程中不斷壓實(shí)涂覆層；(5)干燥將涂覆好的試件自然陰干24～30小時(shí)后再將其放置在真空干燥箱中100～150℃下烘干2～3小時(shí)；(6)熔覆用氮弧焊機(jī)進(jìn)行搭接燒熔，工藝參數(shù)為鎢極直徑1～3mm，焊接電壓10～12V，焊接電流30～120A，氮?dú)饬髁?0～15L/min，氮?dú)饧兌?9.5％～99.99％，焊接速度1～4mm/s，熔覆道次重疊率30％-50％，所述氮弧能量使部分氮?dú)怆婋x并使陽(yáng)極熔化或熔融，電離的氮?dú)饧拔措婋x的氮?dú)馀c熔化或熔融的陽(yáng)極反應(yīng)合成碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層；(7)保溫熔覆結(jié)束后將試件放入保溫箱中隨爐冷卻至室溫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法,其特征在于所述的金屬基體為任意金屬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法， 其特征在于調(diào)整石墨粒度、石墨純度、鈦鐵粉粒度、鈦鐵粉純度、氮?dú)饧兌取?氮?dú)夤┙o量、預(yù)涂厚度、鎢極直徑、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、道次重 疊率等，可以獲得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種反應(yīng)氮弧熔覆碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層制備方法，采用鎢極氮弧焊設(shè)備，以鎢電極作為陰極，以表面預(yù)涂按一定比例配制的石墨粉和鈦鐵粉金屬基體作為陽(yáng)極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下利用氮弧熱源進(jìn)行熔覆，在金屬基體表面反應(yīng)合成碳氮化鈦基金屬陶瓷涂層。本發(fā)明使用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單、制備成本低、涂層性能好、實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)改善金屬的表面耐磨性具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101591779SQ20091007459
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者張淑云, 李建昌, 趙建國(guó), 郝建軍, 馬璐萍, 馬躍進(jìn) 申請(qǐng)人:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)