[發明專利]一種在金屬表面制備碳化物陶瓷層的間隙原子滲碳方法

在審

• 申請號: 201811563766.5
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號: CN109487205A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 趙梓源;惠鵬飛;劉福源;鐘黎聲;許云華;趙明軒
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: C23C8/64
• 分類號: C23C8/64
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 涂秀清

本發明公開了一種在金屬表面制備碳化物陶瓷層的間隙原子滲碳方法，該方法選擇含有間隙碳原子的固體作為碳源，在熱壓條件下對具有碳化物形成能力的金屬(基體)進行滲碳，具體來說，將含間隙碳原子的固體放置在具有碳化物形成能力的金屬之上，并在熱壓爐中，對其施加壓力使兩者接觸面實現原子尺度接觸，在一定的保護氛圍中將其加熱至一定溫度后保溫，最后冷卻至室溫。在熱壓過程中，碳源中的間隙碳原子擴散至基體材料表面形成碳化物陶瓷層。所得為一種致密無孔、內延生長、碳化物體積分數高、碳化物晶粒細小、膜基結合力好的表面陶瓷層，大幅度提高了具有碳化物形成能力的金屬表面硬度及耐磨性能。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理方法技術領域，具體涉及一種在金屬表面制備碳化物陶瓷層的間隙原子滲碳方法。

背景技術

隨著科技不斷的進步，金屬材料被廣泛的應用于各行各業中，如機械零件、精密儀器、航空航天等領域，都是不可或缺的材料。但在實際工況中表面會出現硬度不夠，磨損率過高等現象而導致材料失效，大大縮短了零部件材料的使用壽命，所以金屬表面的改性刻不容緩。滲碳技術是金屬材料表面改性的有效方法之一，并且應用十分廣泛。

滲碳是將工件置入具有活性滲碳介質中，在高溫下使滲碳介質中分解出的活性炭原子滲入工件表面，從而使得材料表面改性。根據產生活性碳原子的原材料的物理狀態，可將滲碳分為氣體滲碳、液體滲碳、固體滲碳等。氣體滲碳是將工件裝入密閉的爐子內，通入氣體滲劑，在高溫下分解出活性碳原子，滲入工件表面，獲得高硬度耐磨層的一種滲碳工藝。氣體滲碳的生產周期短，適用于大批量生產能實現自動化生產，但是滲碳層的質量受工藝參數影響比較大，容易在工件表面形成碳沉積。液體滲碳是指把被滲碳材料放入高溫熔鹽中保溫，使碳原子滲入金屬表面來提高工件表面硬度和耐磨性的熱處理方法。所用設備為各種內熱式及外熱式的鹽浴爐。液體滲碳時加熱速度較快，質量均勻，易于控制，操作簡單，靈活性大。缺點是過大、過小、細長的工件難于采用；并且有些液體介質含有氰鹽，有劇毒，需采取嚴格的安全措施。固體滲碳是將工件和固體滲碳劑(如木炭加促進劑組成)一起裝在密閉的箱式、車底式或井式滲碳爐中加熱到滲碳溫度，并保溫一定時間，使活性碳原子滲入工件表面的一種方法。這種工藝的優勢在于：對需要熱處理或淬火后精加工的產品有利，而且小批量滲碳較為經濟。缺點是精密程度較低，表面的梯度不易控制。這幾類滲碳原理基本類似，都需要在高溫下使滲碳劑通過化學分解產生游離的碳原子，這些游離碳原子被材料表面吸收并在碳濃度梯度的驅動力作用下向金屬內部擴散。

將滲碳技術應用于難熔金屬以及其他具有碳化物形成能力的金屬表面時，碳原子與金屬反應析出碳化物，進而在材料表面形成碳化物層，從而使得材料表面硬度、耐磨性得到顯著的提升。滲碳技術不但具有工藝簡單、適用范圍廣、成本低廉的工藝優勢，而且由于表面碳化物陶瓷層內延生長，制備出的陶瓷層膜基結合力好。然而，當前滲碳制備出的表面碳化物層存在晶粒粗大、碳化物體積分數低等問題，且滲碳過程中極易出現表面碳沉積等影響滲碳持續性的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種在金屬表面制備碳化物陶瓷層的間隙原子滲碳方法，解決了目前傳統工藝制備陶瓷層多孔、陶瓷體積分數低、陶瓷晶粒粗大、膜基結合力差等問題。

本發明是一種在金屬表面制備碳化物陶瓷層的間隙原子滲碳方法，具體包括如下步驟：

步驟1：分別取具有碳化物形成能力的金屬和含間隙碳原子的固體；

步驟2：將具有碳化物形成能力的金屬和含間隙碳原子的固體放置在熱壓爐中，然后施加壓力，在一定的保護氛圍中加熱至一定溫度后保溫2～30h，最后冷卻至室溫，最在具有碳化物形成能力的金屬一側得到內延生長的致密碳化物陶瓷層。

本發明的特點還在于，

步驟1中的具有碳化物形成能力的金屬為Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Hf中的任意一種，或者為其合金，或者為具有碳化物形成能力的高熵合金。