[發明專利]霧化噴射沉積制備氮化鈦涂層的方法

有效

• 申請號: 201410127202.2
• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號: CN103834895A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 袁慶龍;范廣新;郝俊麗;杜鑫磊
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: C23C4/10
• 分類號: C23C4/10;C23C4/12
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙) 41117
• 代理人: 楊妙琴

技術領域:

本發明屬于金屬材料技術領域，具體涉及一種霧化噴射沉積制備氮化鈦涂層的方法。

背景技術:

TiN?屬于間隙相,?熔點高達2955?℃,?原子之間的結合為共價鍵、金屬鍵及離子鍵的混合鍵，其中金屬原子間存在金屬鍵。因此，TiN?涂層(薄膜)?具有高熔點、高硬度、高化學穩定性及優異的耐高溫氧化、耐磨和耐蝕等特性,?是理想的硬質防護膜。目前它已經成功地應用于機械加工用刀具和刃具、機械制造中的模具和部分耐磨部件以及一些防腐構件的表面上。

傳統的氮化鈦涂層(薄膜)的制備方法主要集中于化學氣相沉積和物理氣相沉積等。化學氣相沉積氮化鈦涂層(薄膜)，具有成膜速度快、鍍膜繞射性好、鍍層純度高、沉積表面光滑等特點。其缺點是需要在較高溫下反應，基片溫度高，沉積速率較低，基體難于進行局部沉積，鍍后通常需要真空熱處理且會產生不容許的變形等，更要緊的是，參與沉積反應的TiCl₄和甲烷以及反應后的余氣都有一定的毒性，對環境有一定程度的污染。物理氣相沉積主要采用離子鍍和離子濺射沉積方法，其特點是工件溫度低，變形小，基體內部組織變化不大，有綠色熱處理之稱。但該法制備的氮化鈦涂層(薄膜)厚度較化學氣相沉積更薄，通常僅有2.5微米～3微米。這兩類工藝的共同缺點是涂層(薄膜)厚度過薄(約幾微米)，降低了涂層的力學性能尤其是它的耐磨性能，使其在一些特殊工況環境下難以勝任，同時此類氮化鈦涂層(薄膜)多為粗大的柱狀晶粒，韌性較差。

發明內容:

綜上所述，本發明的目的是針對化學氣相沉積和物理氣相沉積制備氮化鈦涂層(薄膜)的不足，而提供一種霧化噴射沉積制備氮化鈦涂層的方法，具體地說，是以鋼鐵為基體材料，采用噴射沉積方法，以高壓純氮氣作為霧化氣體，在純鈦金屬溶液霧化飛行過程中，與鈦發生反應，生成氮化鈦化合物，沉積在鋼鐵基材表面上，固化后形成氮化鈦涂層。用本發明提供的霧化噴射沉積氮化鈦涂層方法，相對于其他制備方法具有很多優點:?①金屬的霧化、氮化鈦化合物合成、沉積都在高純氮氣氣流作用下完成，工序少，工藝簡單；②霧化噴射沉積能顯著地細化氮化鈦涂層的顯微組織，具有快速凝固的等軸、細小組織；③霧化噴射沉積只需數分鐘,而非其它工藝的數小時，縮短了生產周期，且不產生有毒的副產品。經檢索，有關霧化噴射沉積制備氮化鈦涂層材料的方法還未見報道。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種霧化噴射沉積制備氮化鈦涂層的方法，包括以下步驟：

第一步、將鋼鐵工件表面噴砂糙化，使之露出新鮮基體后，置于噴射霧化沉積室內，同時將純鈦金屬放入噴射沉積中頻感應爐內；

第二步、封爐后將沉積室抽真空至10^-3~10^-1Pa；

第三步、將放在噴射沉積中頻感應爐內的純鈦金屬材料熔化，熔煉溫度為1780℃~1840℃；

第四步、將熔化的純鈦金屬溶液注入導液管內，采用高壓純氮氣將從導液管流出的鈦金屬溶液進行粉碎、霧化，高速沉積到經預處理的鋼鐵板件基體上；噴射沉積是在高真空高溫噴射成形設備上完成，霧化氣體為高壓純氮氣，霧化壓力為1.5~2.5MPa，接收距離為350~450mm，涂層厚度為0.2~1.0mm；

第五步、關閉中頻感應爐電源，關閉高壓氮氣源。

進一步，第一步所述的噴砂糙化處理是指，對鋼鐵工件表面待沉積部位進行噴砂糙化處理，以便去除表面氧化膜，并達到一定的表面粗糙度，以提高沉積層與鋼鐵工件基材的結合力；噴砂使用的磨料為16#，20#?棕剛玉。

進一步，第一步所述的純鈦金屬原料選用TA0或TA1或TA2或TA3。

進一步，第一步所述的鋼鐵工件材料包括普通碳素鋼，優質碳素鋼，高級優質碳素鋼，普通低合金鋼，中合金鋼，高合金鋼，灰口鑄鐵。

進一步，第一步所述的鋼鐵工件是不同形狀的板，盤，管，柱。

進一步，第四步所述的噴射沉積是在高真空高溫噴射成形設備上完成，霧化氣體為高壓氮氣，霧化壓力為1.5~2.5MPa，接收距離為350~450mm。

本發明的積極效果是：

1、本發明提出的霧化噴射沉積制備氮化鈦涂層的方法，由于采用高壓氮氣作為霧化推進氣體，在噴射過程中，金屬的霧化、氮化鈦化合物合成、沉積都在高壓氮氣氣流作用下完成，工序少，工藝簡單，涂層材料高速撞擊到經凈化糙化處理鋼鐵工件基材上，涂層附著力強。