[發明專利]以TiO2和N2氣體為組元的離子弧誘導金屬表層復合TiN強化方法

有效

• 申請號: 201210565336.3
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN102978615A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 王輝;左健民;肖圣亮;張榮榮;童涵
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所 32106
• 代理人: 江平

技術領域

本發明涉及金屬表面強化處理工藝技術領域。

背景技術

氮化鈦（TiN)是一種非計量化合物，同時具有金屬晶體和共價晶體的特點，熔點高達2955℃。作為表面涂層，TiN具有高硬度、耐磨損、耐高溫、抗熱震、摩擦系數低等優良的綜合力學性能，是目前研究和應用最為廣泛的薄膜材料之一。TiN作為涂層成功地應用于刀具、鉆頭等工具上，被認為是金屬切削刀具技術發展史上的一次革命。

TiN涂層的制備技術目前主要是物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積(CVD)。PVD?法形成溫度較低、涂層較薄，與基體的結合強度低，涂層易于從基底剝落，且繞鍍性較差。CVD法沉積溫度高，但超過了絕大多數常用刀具材料的熱處理溫度，因而可用來進行鍍層的刀具材料種類極為有限；其次，CVD?以氯化物為原料，需要一套提供制備含Ti?鹵化物氣體的設備，工藝復雜，成本較高，與目前提倡的綠色工業相抵觸。

不論是PVD法還是CVD法，所獲得的TiN涂層都較薄，厚度只有幾個微米（μm），并且涂層與基體是機械結合，結合面強度低，使用中涂層易發生剝落。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種碳素結構鋼表面TiN強化技術，可以使碳素結構鋼表面層原位復合生成TiN，從而對碳素結構鋼表面進行強化與提高耐磨性。

本發明是通過以下技術方案實現的：

在金屬表面敷以TiO₂粉末，在N₂氣體氛圍下，用等離子弧在敷TiO₂粉末的金屬表面進行掃描。

通過以上方法可以在金屬表層原位復合生成TiN，實現對金屬表面的強化與提高耐磨性。

本發明具有以下優點：

1、TiN是在金屬表層原位復合生成，而不是在表面沉積，因此不存在涂層與基體的結合力問題；

2、原位復合有TiN的金屬表層厚度可達500至600微米，顯微硬度可達HV1700至HV1800以上，因此即使表面在使用過程中有微磨損，仍然具有很好的硬度和耐磨性；

3、反應組元為TiO₂和N₂氣體，以等離子弧為能量源，不會對環境造成任何污染，是一種環保的金屬表面強化與耐磨方法。

另外，本發明所述TiO₂為工業純TiO₂，所述TiO₂粉末涂敷的厚度為1.5～2毫米。

本發明可以針對不同的金屬選擇不同的各參數，以達到最佳的效果。

N₂氣體的流量為10～14L/min。

等離子弧的掃描速度為400～600mm/min，等離子弧電流為30～60A。

等離子弧的流量為12～18L/min

具體實施方式

????一、對Q235A、20鋼、40鋼、45鋼、20G、20Mn、40Mn和60Mn碳素結構鋼分別進行表面處理：

1、在碳素結構鋼表面敷以工業純TiO₂粉末，厚度為1.5毫米；

2、隨等離子弧移動，通以氮氣，氮氣流量為10L/min；

3、等離子弧以400mm/min速度進行掃描，等離子弧電流為45A；等離子弧以氮氣作為保護氣和等離子氣源，流量為16?L/min。

4、檢測結果：

在碳素結構鋼表層原位復合生成厚度可達500微米的TiN層，顯微硬度可達HV1700。

二、對20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金結構鋼分別進行表面強化處理：

1、在合金結構鋼表面敷以工業純TiO₂粉末，厚度為1.5毫米；

2、隨等離子弧移動，通以氮氣，氮氣流量為10L/min；

3、等離子弧以400mm/min速度進行掃描，等離子弧電流為30A；等離子弧以氮氣作為保護氣和等離子氣源，流量為12?L/min。

4、檢測結果：

在合金結構鋼表層原位復合生成厚度可達500微米的TiN層，顯微硬度可達HV1750。

三、對65Mn、60Si2Mn和50CrVA彈簧鋼分別進行表面強化處理：

1、在彈簧鋼表面敷以工業純TiO₂粉末，厚度為2毫米；

2、隨等離子弧移動，通以氮氣，氮氣流量為14L/min；

3、等離子弧以600mm/min速度進行掃描，等離子弧電流為40A,；等離子弧以氮氣作為保護氣和等離子氣源，流量為14?L/min。