專利名稱：一種氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法
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，特別涉及到一種以鈦及其合金為電極，利用電火花沉積技術(shù)在氮?dú)夥諊性缓铣傻伣饘倩沾赏繉拥姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
氮化鈦是一種新型金屬陶瓷材料，具有硬度高、熔點(diǎn)高、摩擦因數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是一種很好的難熔耐磨材料。目前已被廣泛用于切削刀具、抗磨粒磨損和磨蝕磨損部件的表面制備與修復(fù)中。各國(guó)研究人員對(duì)氮化鈦涂層制備方法及其工藝做了大量研究，這些方法主要集中在物理氣象沉積(PVD)法，化學(xué)氣象沉積(CVD)法，激光表面氣體合金化法等。但上述這些方法需要昂貴的設(shè)備、特定的場(chǎng)所、專業(yè)的技術(shù)人員，從而使氮化鈦涂層制備成本大大增加，限制了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。
原位合成是借助于合金設(shè)計(jì)，在基體金屬內(nèi)原位反應(yīng)形核生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相的一種材料復(fù)合方法。同傳統(tǒng)陶瓷材料制備過(guò)程比較，原位合成陶瓷材料中的陶瓷相是在高溫自反應(yīng)過(guò)程中形成的。材料的制備過(guò)程直接經(jīng)由單質(zhì)物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)形成最終的陶瓷及陶瓷復(fù)合材料，避開(kāi)了常規(guī)的原料制備、成型及燒結(jié)過(guò)程。原位合成法由于增強(qiáng)相是在基體中通過(guò)形核、長(zhǎng)大生成，因而增強(qiáng)相的熱力學(xué)性能穩(wěn)定。該技術(shù)可有效地克服傳統(tǒng)制造工藝中外加增強(qiáng)體復(fù)合方法中增強(qiáng)體易偏聚，增強(qiáng)體與基體之間的物理、化學(xué)性質(zhì)不相容，材料結(jié)構(gòu)不均勻，工藝復(fù)雜，成本昂貴等缺點(diǎn)，從而可極大地提高增強(qiáng)相效果。由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到青睞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種反應(yīng)電火花沉積合成氮化鈦金屬基陶瓷涂層的方法。本發(fā)明是一種制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的氮化鈦金屬基陶瓷涂層制備新方法。本發(fā)明將原位反應(yīng)合成技術(shù)與普通的電火花沉積技術(shù)相結(jié)合，利用電火花沉積工藝在基體金屬表面原位合成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。以鈦及其合金為旋轉(zhuǎn)電極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，利用電火花沉積技術(shù)，通過(guò)原位合成反應(yīng)在金屬基體表面生成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。采用反應(yīng)電火花沉積方法可制備厚度達(dá)800μm，硬度高，韌性好，熔點(diǎn)高，化學(xué)穩(wěn)定性好，紅硬性好的氮化鈦金屬基陶瓷涂層。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供的氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，通過(guò)對(duì)電極材料及直徑，氮?dú)饧兌燃肮┙o量，電氣參數(shù)，沉積時(shí)間等進(jìn)行調(diào)整以獲得性能要求不同的涂層。一種氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其內(nèi)容為以鈦及其合金為電極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，利用電火花沉積技術(shù)，通過(guò)原位反應(yīng)合成在經(jīng)過(guò)表面處理的金屬基體表面生成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。
電火花放電釋放的能量使鈦及其合金電極材料在金屬基體表面熔融，同時(shí)使氮?dú)怆婋x，熔融的鈦及其合金與電離的氮發(fā)生原位反應(yīng)形成氮化鈦，并且氮化鈦金屬基陶瓷涂層與金屬基體之間呈冶金結(jié)合。所述熔融電極與所述電離的氮?dú)庠谒鼋饘倩w表面發(fā)生原位反應(yīng)，形成氮化鈦金屬基陶瓷涂層，原位反應(yīng)方程式為Ti+12N2=TiN.]]>電極和金屬基體在沉積前必需經(jīng)過(guò)表面處理，其表面處理方法為先用200目砂紙打磨，然后再用濃度為99.5％的丙酮溶液清洗。
所述電極為旋轉(zhuǎn)電極，其旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min-5000r/min。
所述電極直徑為φ0.5-8mm。
所述的氮?dú)饧兌葹?5％-99.99％，供給量為5-15L/min。
所述金屬基體為任意金屬。
本發(fā)明的詳細(xì)工藝步驟為用砂紙打磨試件表面和電極表面以去除氧化皮并用丙酮溶液清洗，向氮?dú)饷荛]裝置充入氮?dú)猓謩e將試件和電極裝卡在工作臺(tái)和沉積槍上，將沉積槍裝卡于沉積槍絲杠上并調(diào)整沉積槍角度，調(diào)整電氣參數(shù)和氮?dú)鈮毫?，?shí)施電火花沉積操作。
本發(fā)明具有積極的效果本發(fā)明提供的氮化鈦金屬基陶瓷涂層制備方法以工業(yè)鈦及其合金絲材或棒材為電極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，采用常規(guī)電火花沉積工藝原位合成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。以鈦及其合金電極為陽(yáng)極，強(qiáng)化金屬基體為陰極，在氮?dú)夥諊鷥?nèi)，陽(yáng)極與陰極之間產(chǎn)生火花放電，電火花放電釋放的能量使鈦及其合金電極在金屬基體表面熔融并使保護(hù)氮?dú)怆婋x，熔融的鈦及其合金與電離的氮發(fā)生原位反應(yīng)生成氮化鈦陶瓷增強(qiáng)相，氮化鈦陶瓷增強(qiáng)相在放電作用力的作用下擴(kuò)散到工件表面，形成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。本發(fā)明利用電火花放電溫度下，電極與氮?dú)饨M元間的原位反應(yīng)合成氮化鈦陶瓷硬質(zhì)相。本發(fā)明不需要預(yù)先合成氮化鈦，而是利用氮化鈦形成元素在電火花沉積過(guò)程中通過(guò)原位反應(yīng)合成，方法簡(jiǎn)單，成本低，提高了氮化鈦的制備效率，從根本上解決了PVD、CVD、激光表面氣體合金化等方法制備氮化鈦薄膜存在的問(wèn)題，拓寬電火花沉積技術(shù)的應(yīng)用范圍，開(kāi)辟了氮化鈦涂層制備的新途徑。本發(fā)明可通過(guò)調(diào)整電極材料及直徑、氮?dú)饧兌燃肮┙o量、電氣參數(shù)、沉積時(shí)間等方便地獲得不同性能要求的氮化鈦金屬基陶瓷涂層。本發(fā)明是利用電火花沉積和原位合成技術(shù)，涂層與基體具有冶金結(jié)合的特點(diǎn)，結(jié)合力強(qiáng)，獲得的涂層具有很高的硬度和耐磨性，對(duì)改善金屬零件的表面耐磨性有很高的實(shí)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明提供的氮化鈦金屬基陶瓷涂層反應(yīng)電火花沉積制備示意圖。
圖中，1.氮?dú)饷荛]裝置，2.試件，3.工作臺(tái)絲杠，4.工作臺(tái)，5.涂層，6.安全閥，7.電纜，8.電火花沉積電源，9.沉積槍絲杠，10.沉積槍，11.壓力表，12.氣管，13.氣源，14.電極。
圖2氮化鈦金屬基陶瓷涂層與淬火W18Cr4V高速鋼試樣磨損曲線圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其內(nèi)容為以鈦及其合金為電極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，利用電火花沉積技術(shù)，通過(guò)原位反應(yīng)合成在經(jīng)過(guò)表面處理的金屬基體表面生成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。
采用氮?dú)饷荛]裝置作為工作室。
所用電極為旋轉(zhuǎn)電極，其旋轉(zhuǎn)速度為2400r/min。
采用電極直徑為3mm。
采用氮?dú)饧兌葹?9.99％，供給量為10L/min。
所用金屬基體為20#鋼試件。
本發(fā)明采用上述發(fā)明方法，在20#鋼試件表面，以φ3mm的工業(yè)TA2鈦絲為電極，利用純度為99.99％的高純氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，經(jīng)反應(yīng)電火花沉積制備了氮化鈦金屬基陶瓷涂層。
具體實(shí)施方式
如下沉積操作前，將試件2裝卡在氮?dú)饷荛]裝置1中的工作臺(tái)4上，將氣源13中的氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣管12導(dǎo)入到氮?dú)饷荛]裝置1中。通過(guò)安全閥6調(diào)整氮?dú)饷荛]裝置1中的氣壓，壓力表11用來(lái)顯示氮?dú)饷荛]裝置1中的壓力大小。
沉積操作時(shí)，打開(kāi)電火花沉積電源8，通過(guò)電纜7使沉積槍10上的電極14帶電并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電極14與試件2之間產(chǎn)生火花放電，電火花放電釋放的能量使電極14在試件2表面熔融并使氮?dú)饷荛]裝置1中的氮?dú)怆婋x，熔融的電極14與電離的氮發(fā)生原位反應(yīng)生成氮化鈦陶瓷增強(qiáng)相，氮化鈦陶瓷增強(qiáng)相在放電作用力的作用下擴(kuò)散到試件2表面，形成氮化鈦金屬基陶瓷涂層5。通過(guò)工作臺(tái)絲杠3和沉積槍絲杠9控制涂層5面積，通過(guò)調(diào)整電極14的材料及直徑、氮?dú)饷荛]裝置1中氮?dú)饧兌群凸┙o量、電火花沉積電源8的電氣參數(shù)及沉積時(shí)間來(lái)控制氮化鈦金屬基陶瓷涂層的性能。
1、用200目砂紙打磨試件和電極表面，徹底去除試件和電極表面的氧化皮、銹蝕及其它污染物。
2、用濃度為99.5％的丙酮溶液清洗打磨后的試件和電極表面，徹底去除試件和電極表面的油污。
3、向氮?dú)饷荛]裝置1充入氮?dú)庵敝翂毫_(dá)到2MPa。
4、將試件2裝卡在工作臺(tái)4上。
5、將電極14裝卡在沉積槍10上。
6、將沉積槍10裝卡在沉積槍絲杠9上。
7、調(diào)整沉積槍10使其軸線與試件2表面法線方向呈45°角。
8、接通電火花沉積電源8，調(diào)整其輸出功率為700W～800W，輸出電壓90V～100V，輸出頻率850Hz～950Hz，電極旋轉(zhuǎn)速度為2400r/min。
9、實(shí)施電火花沉積操作，比沉積時(shí)間為3min/cm2。
10、通過(guò)調(diào)整工作臺(tái)絲杠3和沉積槍絲杠9以確保在整個(gè)試件(2)表面均獲得涂層5。
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，在該工藝條件下制備的涂層平均厚度為600μm，涂層的平均顯微硬度為HV100g1323，涂層中TiN平均晶粒大小為50nm。
附圖2是在該工藝條件下獲得的涂層與淬火W18Cr4V高速鋼試樣在相同條件下體積磨損量隨載荷變化的關(guān)系曲線。
由附圖2可知，在低載荷下TiN涂層與淬火W18Cr4V高速鋼磨損體積比較接近；隨著載荷的增加，淬火W18Cr4V高速鋼的磨損體積遠(yuǎn)比TiN涂層的高。本發(fā)明涉及的反應(yīng)電火花沉積制備氮化鈦金屬基陶瓷涂層是切實(shí)可行的。該涂層厚度大，與基體結(jié)合致密，表面硬度高，耐磨性好。
權(quán)利要求
1.一種氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其特征在于以鈦及其合金為電極，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，利用電火花沉積技術(shù)，通過(guò)原位反應(yīng)合成在經(jīng)過(guò)表面處理的金屬基體表面生成氮化鈦金屬基陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述的氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其特征在于電極和金屬基體在沉積前必需經(jīng)過(guò)表面處理，其表面處理方法為先用200目砂紙打磨所述電極和金屬基體表面，然后再用濃度為99.5％丙酮溶液清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其特征在于所述的電極為旋轉(zhuǎn)電極，其旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min-5000r/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其特征在于所述電極直徑為φ0.5-8mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其特征在于所述的氮?dú)饧兌葹?5％-99.99％，供給量為5-15L/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法，其特征在于所述金屬基體為任意金屬。
全文摘要
本發(fā)明提供了氮化鈦金屬基陶瓷涂層的反應(yīng)電火花沉積制備方法方法，該方法涉及通過(guò)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以鈦及其合金為旋轉(zhuǎn)電極，利用電火花沉積技術(shù)和原位合成技術(shù)制備氮化鈦金屬基陶瓷涂層。用本發(fā)明制備的氮化鈦金屬基陶瓷涂層與金屬基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，涂層硬度高。本發(fā)明使用設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、制備成本低、沉積層性能好、實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)改善金屬零件的表面性能具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C23C4/12GK1865485SQ20061001284
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
發(fā)明者郝建軍, 馬躍進(jìn), 陳志強(qiáng), 李建昌, 趙建國(guó) 申請(qǐng)人:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)