[發明專利]一種鋼材表面無氫復合改性層的制備方法

有效

• 申請號: 201810176725.4
• 申請日: 2018-03-03
• 公開（公告）號: CN108330432B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 姬壽長;李爭顯;王彥鋒;暢晨陽;李宏戰;王浩楠
• 申請（專利權）人: 西北有色金屬研究院
• 主分類號: C23C12/00
• 分類號: C23C12/00
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

本發明公開了一種鋼材表面無氫復合改性層的制備方法，該方法為：一、預處理：對鋼基工件的表面進行預處理；二、滲鈦：將經預處理后的鋼基工件置于雙層輝光等離子滲金屬設備的真空室的工件極載物臺上，以純鈦板為源極，所述鋼基工件為工作極，進行滲鈦；三、滲碳：滲鈦結束后，將源極更換為高純石墨，進行滲碳，滲碳結束后停止加熱鋼基工件在鋼基工件沉積1～100min形成碳沉積層，最終在鋼基工件的表面形成無氫復合改性層。本發明在鋼基工件表面制備由無氫的碳化鈦、鐵素體、碳化體以及游離碳組成的無氫復合改性層，這種無氫復合改性層具有耐磨、減磨作用，該方法環境友好，且可由一臺雙層輝光等離子滲金屬設備實現，可靠性高、制備成本低。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理技術領域，具體涉及一種鋼材表面無氫復合改性層的制備方法。

背景技術

碳化鈦具有高熔點、高硬度及高耐磨和耐蝕性，廣泛用作各種耐磨部件和零件，也廣泛用于部件和零件的耐磨保護。對于鈦零部件，其表面碳化鈦層生成方式主要是在真空或低壓下，采用擴滲方式在鈦基體上原位生成碳化鈦，為避免氫脆隱患，“一種鈦表面輝光離子無氫滲碳工藝方法”發明專利(公開號為CN 1451779A)中采用輝光等離子滲碳的方法在鈦及鈦合金表面生成無氫滲碳層，同時發明專利ZL 200710188530.3、ZL 201210199053.1中公開了采用碳氧共滲的方式在鈦合金表面生成碳化鈦，同時生成氧化鈦，來調節滲層的硬度，最終形成碳化鈦和氧化鈦的混合物滲層。

在非鈦基體零部件的耐磨層碳化鈦的制備，主要包括以下幾種方法：①采用CVD的方法在零部件表面沉積碳化鈦，利用TiCl₄，H₂和C之間的反應，即TiCl₄+2H₂+C＝TiC+4HCl，在保護部件上沉積TiC層。這種碳化鈦的生成方法產生大量的HCl廢氣，對環境不友好。②物理氣相沉積方法：專利號200810027473的發明專利“采用碳氮鈦鉻復合涂層表面處理高爾夫球頭的方法”采用真空沉積的方式在高爾夫球頭沉積4個膜層，分別是Ti/TiC(CrC)/TiN/非晶C膜，僅是沉積層，不涉及生成TiC，這種物理氣相沉積膜層厚度為0.9μm，膜層薄。③采用注滲方式，專利號為CN03131784.7的發明專利“注滲碳化鈦(TiC)－鋼梯度材料制造技術”，采用的注滲的方法在鋼的表面形成濃度呈梯度變化且具有一定深度的碳化鈦注滲層。該專利沒有涉及外表面具有自潤滑的碳層。④采用噴涂方法可在鋼基零部件表面沉積碳化鈦，噴涂制備方法有電弧噴涂、等離子噴涂、超音速噴涂等方法，噴涂方法的優點制備涂層速度快、厚度可在幾微米到幾毫米之間根據實際進行控制，但噴涂層與基體的結合方式主要是機械結合，而非冶金結合，結合性能相對較差。

上述方法在非鈦基體零部件制備碳化鈦，雖然得到一定的應用，但其存在一些不足，如采用CVD制備碳化鈦的方法對環境不友好，物理氣相沉積的方法制備碳化鈦層薄，而且單一的碳化鈦涂層與鋼鐵基膨脹系數的差別，涂層容易失效。采用注滲的方法制備速度慢，采用方法獲得的噴涂層與基材結合性能較差。

碳化鈦硬度高，耐磨性好，有著廣泛的應用，碳化鈦涂層難以制備，而氮化鈦涂層易于制備，刀具等需要耐磨處理的部件大多采用氮化鈦涂層，TiN硬度約為2000～2500HV，TiC硬度約為2600～3100HV，TiN與鋼對磨的摩擦系數為0.56，TiC與鋼的對磨系數為0.27，對比可見碳化鈦涂層相比氮化鈦涂層具有優勢。因此，急需在非鈦基體零部件的表面制備耐磨層碳化鈦的方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供了一種鋼材表面無氫復合改性層的制備方法。該制備方法針對現有的CVD、PVD等技術的不足，利用鈦表面輝光等離子滲制備碳化鈦滲層這一技術，結合基體的實際耐磨要求，可在鋼基零部件表面制備無氫的碳化鈦、鐵素體、碳化體以及游離碳組成的無氫復合改性層，這種無氫復合改性層具有耐磨、減磨的作用，本發明的制備方法對環境友好，且可由一臺雙層輝光等離子滲金屬設備實現無氫復合改性層的制備，可靠性高、制備成本低。