[發(fā)明專利]一種覆有碳化物涂層的金屬基材料及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610052852.4
• 申請(qǐng)日: 2016-01-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106995910B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯娟;俞國(guó)軍;蘇興治;陳燕軍;謝雷東;侯惠奇;王建強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所
• 主分類號(hào): C23C10/22
• 分類號(hào): C23C10/22;C23C10/26;C23C10/02
• 代理公司: 上海弼興律師事務(wù)所 31283
• 代理人: 薛琦;尹若元

本發(fā)明公開(kāi)了一種覆有碳化物涂層的金屬基材料及制備方法。其包括如下步驟：在惰性氣氛或真空氣氛下，將金屬基材料加入至熔融狀態(tài)的含有供滲劑的氟化物熔鹽，保溫反應(yīng)即可；供滲劑為鉻、釩、鈮、鈦、硅和鋯中的一種或多種的單質(zhì)或其氧化物。本發(fā)明的制備方法工藝簡(jiǎn)單，對(duì)混料順序等工藝無(wú)嚴(yán)格限定，適用性廣泛；本發(fā)明在金屬基材料表面制得的碳化物涂層致密均勻、厚度可控，與基體之間形成牢固的冶金結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)，改善了基體材料的表面性能，具有高硬度、高耐磨性、抗咬合力、耐高溫氧化和環(huán)境腐蝕等優(yōu)異性能；顯著改善了材料表面性能，延長(zhǎng)了金屬構(gòu)件的使用壽命，拓寬了金屬材料的工業(yè)應(yīng)用范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種覆有碳化物涂層的金屬基材料及制備方法。

背景技術(shù)

金屬作為重要的結(jié)構(gòu)材料，在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重大的作用，尤其在大型的決定國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛使用，如汽車制造、航空制造、船舶與海洋工程等行業(yè)，以及在模具加工、鍛造成型、精密器件等領(lǐng)域作為工具和模具材料。然而金屬構(gòu)件在服役過(guò)程中，普遍存在的磨損、塑性變形、劃傷、咬合、環(huán)境介質(zhì)作用下的腐蝕等失效現(xiàn)象，使得構(gòu)件的壽命問(wèn)題日益突出。20世紀(jì)60年代蓬勃發(fā)展起來(lái)的表面工程學(xué)，主要致力于通過(guò)物理、化學(xué)和其他手段改變材料表面狀態(tài)，獲得性能遠(yuǎn)優(yōu)于基體的表面結(jié)構(gòu)。該技術(shù)被迅速應(yīng)用于金屬材料表面改性領(lǐng)域，以強(qiáng)化材料表面，提高機(jī)械產(chǎn)品和金屬構(gòu)件的使用壽命。

在金屬材料表面強(qiáng)化處理技術(shù)中，主要有高能束熱源表面強(qiáng)化技術(shù)、氣相沉積技術(shù)、熱噴涂技術(shù)以及化學(xué)熱處理等方法。每種強(qiáng)化技術(shù)都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但同樣也存在著局限性。

高能束表面改性技術(shù)通過(guò)進(jìn)行局部高能束照射使被處理表面產(chǎn)生高溫，隨后迅速冷卻從而達(dá)到表面強(qiáng)化的目的。優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得優(yōu)質(zhì)的硬化層，能自冷，可實(shí)現(xiàn)表面薄層和局部淬火。但其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，受高能束功率限制，只能取代部分熱處理，并且對(duì)于異形件、內(nèi)部表面處理等無(wú)法很好實(shí)施。

氣相沉積技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積，利用氣相之間的反應(yīng)，在表面沉積單層或多層薄膜，從而使材料或制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。這種技術(shù)的最大特點(diǎn)是能夠獲得高硬度、高熔點(diǎn)的覆膜，如TiC或TiN。但是氣相沉積反應(yīng)溫度高，對(duì)設(shè)備要求高，導(dǎo)致鍍膜成本高，排出物污染環(huán)境，并且對(duì)于形狀不規(guī)則的和內(nèi)部需要覆膜的工件，其涂覆效果差。

熱噴涂技術(shù)是利用專門設(shè)備將某種固體材料加熱融化或軟化并加速，噴射到基體表面上，從而形成一種特制涂層。其主要缺點(diǎn)是涂層結(jié)合力較差，對(duì)于小尺寸工件噴涂效率低，涂層均勻性較差。

化學(xué)熱處理是利用元素的擴(kuò)散使?jié)B層元素滲入金屬表層的一種表面強(qiáng)化技術(shù)，包括滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲以及TD處理(Toyota Diffusion Coating Process)等方法。其中TD處理是一項(xiàng)非常優(yōu)異的表面改性技術(shù)，幾乎兼顧所有其他表面處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。TD處理技術(shù)最初是由日本豐田汽車中心研究所研發(fā)的一種表面改性技術(shù)(ToyotaDiffusion)，是熔鹽浸鍍法、電解法以及粉末法的總稱，也常被稱為滲金屬處理。TD處理所得膜層具有優(yōu)異的耐磨損性能和極高的硬度，覆層與基體之間形成冶金結(jié)合，具有其他方法不具備的結(jié)合力，大大延長(zhǎng)了工件壽命。雖然TD處理技術(shù)具有上述優(yōu)勢(shì)，但是在工業(yè)應(yīng)用中存在著制約其發(fā)展的重要因素：硼砂基鹽在高溫下分解，導(dǎo)致熔鹽成分變化，分解產(chǎn)物具有強(qiáng)腐蝕性，易腐蝕處理設(shè)備和夾具；硼砂基鹽對(duì)供滲劑金屬的溶解活性很低，無(wú)法直接溶解純金屬，只能通過(guò)還原金屬氧化物獲得純金屬元素，因此處理過(guò)程中需要添加還原劑和活化劑。鹽浴的分解、還原劑和活化劑的不斷消耗與添加，會(huì)導(dǎo)致鹽浴組分的改變和鹽浴老化現(xiàn)象。鹽浴老化不僅會(huì)降低反應(yīng)活性，發(fā)生鍍不上或涂覆不均勻等現(xiàn)象，還會(huì)使熔鹽流動(dòng)性變差，粘附在工件表面，造成清洗困難的缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中，使用過(guò)幾次的熔鹽，由于嚴(yán)重老化必須更換新的熔鹽，增加了TD處理的成本，為廢鹽處理和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)壓力。

因此，有待開(kāi)發(fā)一種熔鹽組分穩(wěn)定、腐蝕性可控、操作簡(jiǎn)易、避免老化的技術(shù)制備覆有均勻涂層、且涂層與基體為冶金結(jié)合的金屬基材料。

發(fā)明內(nèi)容