[發明專利]一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法

無效

• 申請號: 201010135854.2
• 申請日: 2010-03-31
• 公開（公告）號: CN101798684A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 徐文曉;任振安;王亞男;張寶昌
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K9/04
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 陳宏偉

技術領域：

本發明公開一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法，屬于金屬表面材料制備及表面加工技術領域。

背景技術：

金屬基復合材料(MMCS)具有高比強度、高比模量、耐磨、耐高溫等性能，特別是顆粒增強金屬基復合材料具有成本低，制備工藝相對簡單，后續加工方便等優點，應用前景更為廣泛。顆粒增強金屬基復合材料主要以Al、Cu、Ni、Ti、Fe為基體材料，常用的增強顆粒為碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硫化物或其復相體系。顆粒增強鐵基表面復合材料主要有WC、TiC和VC增強鐵基耐磨復合材料，Cr₃C₂增強鐵基耐熱復合材料等。可以采用鑄造燒結法，激光涂覆法和燃燒合成法制備內生顆粒增強鐵基表面復合材料。

鑄造燒結法是將一定配比的合金粉末壓坯貼在鑄型表面，利用澆注過程中金屬熔液的熱量引發壓坯高溫化學反應，生成大量陶瓷顆粒，同時完成燒結致密化，獲得在鑄件表面燒結而成的表面復合材料。利用鑄造燒結法，可以在鋼鑄件上形成3～4mm厚的VC增強Fe基表面復合材料，基體組織為馬氏體，鑄態硬度為57HRC。(復合材料學報/2002，17(1)//71-75)

通過激光熔覆，可以在中碳鋼基體上制備原位析出ZrC、TiC、WC復合碳化物顆粒增強的鐵基表面復合材料，(應用激光/2002，22(2)//109-112)在45鋼表面制備出原位合成TiB₂陶瓷顆粒增強的Ni基復合材料涂層，涂層是由粘結金屬Ni基體和彌散分布于其中原位合成的穩定和亞穩定硬質顆粒增強相組成。(材料熱處理學報/2005，26(1)//70-73)。

燃燒合成法利用外部能量誘發高放熱化學反應體系燃燒，體系在自身釋放熱量的支持下，形成以一定速度蔓延的固態燃燒波，使原始混合物反應形成所需產物，燃燒波蔓延至整個反應體系后反應結束。反應溫度高是燃燒合成技術的特征，借助不同的反應體系，可在鐵基材料表面原位合成各種增強相，從而制備出鐵基表面復合材料。李文戈等利用燃燒合成技術在普通鋼管內壁原位制備了2～3mm厚的Al₂O₃陶瓷涂層，涂層耐磨性極佳，在生產實踐中得到了很好的應用。(石油化工設備/2003，32(6)//7-9)也可在A3碳鋼表面原位合成增強相為Cr₃C₂和AlN的復相陶瓷涂層，涂層與基體之間為冶金結合，在干摩擦條件下，耐磨性約為碳鋼基體的三倍。(中國有色金屬學報/2003，13(4)//968-973.)

此外，宋思利等人采用氬弧熔敷法，通過在Fe基自熔合金粉末中添加一定比率的石墨和強碳化物形成元素Ti，在中碳鋼基體上制備出原位形成的TiC顆粒增強Fe基復合材料涂層。(焊接學報/2006，27(2)//39-42)

除了上述采用各種碳化物、氧化物作為增強相的鐵基復合材料表面層以外，還經常用TiN作為增強相，采用氣體滲氮、等離子滲氮、離子注入、物理氣相沉積(PVD)及化學氣相沉積(CVD)、激光氣體氮化等技術，制備TiN涂層或TiN增強表面復合材料。例如，利用激光在Ti6Al4V合金表面原位制備TiN枝晶增強梯度金屬基復合材料表面層，表面層沿激光熔化深度具有明顯的梯度結構，與Ti6Al4V基體之間為良好的冶金結合，顯著提高了表面硬度及耐磨性。(功能材料/2004，35(6)//771-773)

用等離子復合滲鍍合成氮化鈦的方法可以在Q235鋼表面制備Ti基TiN顆粒復合材料表面層。首先，利用輝光放電濺射將針狀鈦絲的鈦元素以離子、原子的形式濺射出來，在鋼試樣表面形成鈦合金擴散層。然后，在氣氛室中及合適溫度下，進行滲氮和氮化鈦的復合滲鍍過程。(材料工程/2007年11期//66-70，75)

但是，鑄造燒結法得到的表面層較厚，浪費材料；激光涂覆法制備成本較高；燃燒合成法對反應物有嚴格要求，必須為高放熱化學反應體系；而且這幾種方法主要用于制備各種碳化物增強的表面復合材料。氬弧熔敷法也用于制備碳化物增強的表面復合材料，電弧氣氛不參加增強相合成反應。氣體滲氮、等離子滲氮、離子注入、物理及化學氣相沉積等方法制備的氮化層很薄；激光氣體氮化方法制備成本較高。

發明內容：

本發明公開一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法，在鋼零件表面制備一種氮化鈦增強表面層，可使鐵基復合材料表面層性能進一步提高，解決鋼的耐磨性能差的問題。