[發(fā)明專利]金屬表面形成ZrO2陶瓷復(fù)合材料的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710139414.2
• 申請(qǐng)日: 2007-09-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101158041A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉小萍;賀志勇;王文波;王振霞;唐賓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C28/00
• 分類號(hào): C23C28/00;C23C10/28;C23C8/12;C23C14/48
• 代理公司: 山西太原科衛(wèi)專利事務(wù)所
• 代理人: 戎文華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種等離子表面冶金的方法，尤其是一種在金屬表面形成ZrO₂陶瓷與鋯合金復(fù)合層的方法。

背景技術(shù)

氧化鋯由于高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫及電絕緣等優(yōu)良性能，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ臒嵴贤繉硬牧稀Ｄ壳癦rO₂熱障涂層常用的制備方法有等離子噴涂法、火焰噴涂法、低壓等離子噴涂法、超音速等離子噴涂、激光束重熔等離子噴涂、爆炸噴涂等。其中，等離子噴涂是最常用的方法之一。熱噴涂ZrO₂涂層具有多種優(yōu)異性能，但仍然存在著孔隙率較高、易剝落、涂層不耐磨、耐腐蝕性差等缺點(diǎn)。利用離子滲鋯及氧化復(fù)合處理在金屬表面制備的ZrO₂陶瓷復(fù)合材料層不僅具有優(yōu)良的抗氧化及耐磨損性能，而且由于復(fù)合層是在高溫?cái)U(kuò)散相變形成，滲層組織均勻致密，與基體冶金結(jié)合，使用中不會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

本發(fā)明金屬表面形成ZrO₂陶瓷復(fù)合材料的方法中的離子滲鋯采用“雙層輝光放電離子滲金屬技術(shù)”(美國(guó)專利，專利號(hào)4731539)。該發(fā)明專利是在離子氮化的基礎(chǔ)上，利用稀薄氣體(Ar)中的輝光放電及濺射現(xiàn)象，將欲滲的合金元素組成的固態(tài)合金源極中的合金元素濺射出來(lái)，并吸附、擴(kuò)散滲入到被輝光放電加熱到高溫的由導(dǎo)電物質(zhì)組成的工件表面，從而在其表面形成具有特殊性能的表面合金層。

本發(fā)明專利與“雙層輝光放電離子滲金屬技術(shù)”發(fā)明專利不同之處是：“雙層輝光放電離子滲金屬技術(shù)”是在鋼鐵表面形成合金層，而本發(fā)明可以在不同金屬材料表面形成氧化鋯陶瓷和鋯合金復(fù)合層。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種在金屬表面形成ZrO₂陶瓷復(fù)合材料的方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)等離子滲鋯和氧化復(fù)合處理工藝或方法實(shí)現(xiàn)在金屬表面形成ZrO₂陶瓷復(fù)合材料。其技術(shù)特征在于將雙層輝光離子滲鋯方法與氧化處理方法相結(jié)合，在金屬材料表面形成ZrO₂陶瓷與鋯合金復(fù)合層。

本發(fā)明的基本原理為：首先在真空容器中通入氬氣，進(jìn)行離子滲鋯，然后通入氧氣進(jìn)行氧化處理，在金屬表面形成氧化鋯與鋯合金復(fù)合層。

本發(fā)明的具體方法步驟如下：

1.工藝設(shè)備要求

在可真空的容器中分別設(shè)置源極、陰極和陽(yáng)極。源極由欲滲合金元素組成，陰極放置金屬基材，陽(yáng)極為爐殼。在陽(yáng)極與陰極，陽(yáng)極與源極之間各設(shè)置有0～1500V的可調(diào)直流電源。

2.源極制作

源極材料為冶金制作的99.999％的鋯材，源極形狀可根據(jù)需求加工成板狀、柱狀、狀筒或絲狀。

3.基材選擇

與鋯有一定固溶度的金屬固體材料均可通過(guò)離子滲鋯處理得到含鋯合金層。通常基材選用碳鋼、合金鋼或復(fù)合金屬材料。

4.雙層輝光離子滲鋯

滲鋯前，抽真空并使真空度達(dá)1×10^-1Pa后，通入氬氣，接通陰極電源，加入直流電壓，在陰極與陽(yáng)極之間產(chǎn)生輝光放電，加熱基材到500℃～1000℃，并在該溫度下對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)轟擊。然后接通源極電源，加入直流電壓，使陰極與陽(yáng)極之間的電壓在-300V～-700V范圍，源極與陽(yáng)極的電壓在-700V～-1400V范圍，利用陰極與源極之間產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)進(jìn)行離子滲鋯。離子滲鋯過(guò)程中，源極中的鋯由于氬離子的轟擊被濺射出來(lái)，這些逸出源極表面的鋯原子高速飛向金屬表面，被金屬表面所吸附，并在高溫下擴(kuò)散進(jìn)入金屬表層，形成含鋯梯度合金層。合金層表面成分為純鋯，內(nèi)部為鋯合金層。保溫時(shí)間1-5小時(shí)。

5.氧化處理

在金屬表面形成鋯梯度合金層后，斷開(kāi)源極電源。加入氧氣，達(dá)到100Pa～3000Pa之間的工作氣壓，加入直流電壓，陰極與陽(yáng)極之間產(chǎn)生輝光放電，其電壓在-300V～-1000V范圍之間，進(jìn)行低于1200℃氧化處理。氧化處理后，滲金屬形成的合金層中的純鋯層轉(zhuǎn)變?yōu)閆rO₂陶瓷材料，滲層內(nèi)部的鋯及基材組成元素與氧結(jié)合形成混合氧化物，在基材附近是鋯與基材組成元素的擴(kuò)散層。

本發(fā)明的工藝過(guò)程除用以上方法，即在同一真空容器中進(jìn)行離子滲鋯和氧化復(fù)合處理工藝過(guò)程外，也可以在離子滲鋯工藝完成后將工件取出并將其放倒空氣爐中進(jìn)行氧化處理。

本發(fā)明的用途及優(yōu)點(diǎn)：

1.ZrO₂陶瓷層具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫及電絕緣等優(yōu)良性能，可在航空航天、軍工、核反應(yīng)、原子能以及化工等領(lǐng)域應(yīng)用。