一种在TISUB3/SUBSICSUB2/SUB材料表面上形成硼化物涂层的方法.pdf

本发明属于表面工程技术，具体是一种在Ti3SiC2材料表面制备硼化物涂层的方法，渗料由碳化硼粉、碳化硅粉、硅粉、氟硼酸钾、氟化钠固体粉末混合物组成，Ti3SiC2材料用渗料包埋后在1000～1200℃保温2～10小进行热扩散处理。所获得的涂层主要由二硼化钛(TiB2)组成，厚度为10～40微米。涂层硬度(维氏硬度)大约23GPa，相比Ti3SiC2材料提高了5倍左右；在相同实验条件下，与淬火45#钢对磨，磨损量为Ti3SiC2的30％左右。应用本发明将大大提高Ti3SiC2材料的使用效率并拓宽其应用范围，使涂层具有极高的表面硬度和优良的耐磨性能。

权利要求书
1.  一种在Ti3SiC2材料表面制备硼化物涂层的方法，其特征在于：用碳化硼粉、碳化硅粉、硅粉、氟硼酸钾、氟化钠混合而成的固体粉末混合物为渗料，将Ti3SiC2材料包埋在渗料中，在惰性气体保护下，以6～10℃/min的升温速度、在1000～1400℃条件下、保温2～10小时，进行热扩散处理，然后炉冷至室温，即在样品表面形成以二硼化钛为主的涂层。

2.  按照权利要求1所述在Ti3SiC2材料表面制备硼化物涂层的的方法，其特征在于：按重量百分计，所述粉末混合物组成为：碳化硼粉45～65，碳化硅粉30～50，硅粉0.5～3，氟硼酸钾0.5～3，氟化钠0.5～3。

3.  按照权利要求1所述在Ti3SiC2材料表面制备硼化物涂层的的方法，其特征在于：所述碳化硼粉纯度≥90％、粒度≤0.4毫米；碳化硅粉纯度≥88.5％、粒度≤0.2毫米；硅粉纯度≥99.00％、粒度≤0.2毫米；氟硼酸钾为分析纯；氟化钠为分析纯。

4.  按照权利要求1所述在Ti3SiC2材料表面制备硼化物涂层的的方法，其特征在于：所述惰性气体纯度≥99.00％。

说明书一种在Ti3SiC2材料表面上形成硼化物涂层的方法
技术领域
本发明属于表面工程技术，具体地说是一种在Ti3SiC2材料表面形成硼化物涂层的方法。
背景技术
Ti3SiC2是一种性能优异的结构/功能一体化材料，它有机地综合了金属的塑性、导电、导热、易加工性和陶瓷的耐高温、抗热冲击、高强度和低比重等特点，作为高温结构材料以及熔盐电解电极等具有广阔的应用前景，目前受到研究者的极大关注。
但Ti3SiC2的硬度较低耐磨性较差。因此，通过表面强化，增加材料的表面硬度，改善其耐磨性是实现其实用化所必需的。目前，在Ti3SiC2上制备高硬度涂层的工作已报道的只有热扩散渗碳(T.E1-Raghy，M.W.Barsoum，Diffusion kinetics of the carburization and silicidation of Ti3SiC2，J.Appl.Phys.，83(1)(1998)112-119)，具体公开一种采用两个石墨片夹住试件、在高温(1600℃)、高真空、并加压力(≈40Mpa)情况下进行热扩散的工艺方法，它可在24小时形成厚度约为65±5微米的TiCx。该工艺的不足之处是：工艺复杂，操作时间长，耗电量大，成本高，涂层疏松多孔不够理想，不易产业化。然而，二硼化钛(TiB2)具有极高的硬度(HV＝33.5Gpa)、优异的耐磨性(远非其它表面硬化层所比拟)、高熔点和难挥发性、高导电性以及特定要求下的抗腐蚀性。因此如果在Ti3SiC2表面形成TiB2就会提高其表面硬度改善其耐磨性，而表面渗硼又是一条简捷有效的途径。但是，虽然在金属上渗硼是比较广泛的化学热处理方法，但还未见有关在Ti3SiC2上进行渗硼地报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、实用性强特别是能有效地提高Ti3SiC2材料的表面硬度改善其耐磨性能的硼化物涂层的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：用碳化硼粉(B4C)、碳化硅粉(SiC)、硅粉(Si)、氟硼酸钾(KBF4)、氟化钠(NaF)混合而成的固体粉末混合物为渗料，将Ti3SiC2材料放入渗料中，在惰性气体保护下，以6～10℃/min的升温速度加热至1000～1400℃，保温2～10小时，然后炉冷至室温；经过上述热扩散处理，样品表面可形成10～40微米厚的二硼化钛涂层。
按重量百分比计，本发明所述粉末混合物中成份组成为：碳化硼粉45～65，碳化硅粉30～50，硅粉0.5～3，氟硼酸钾0.5～3，氟化钠0.5～3；所述碳化硼粉纯度≥90％，粒度≤0.4毫米；碳化硅粉纯度≥88.5％，粒度≤0.2毫米；硅粉纯度≥99.00％，粒度≤0.2毫米；氟硼酸钾为分析纯；氟化钠为分析纯；所述惰性气体纯度为≥99.00％。
本发明具有如下优点：
1.采用本发明所制备的涂层具有极高的表面硬度和优良的耐磨性能。表面硬度(维氏硬度)由大约4GPa升到23GPa左右，相比Ti3SiC2材料提高了5倍左右；在相同实验条件下，磨损量为Ti3SiC2的30％左右。
2.本发明采用固体碳化硼粉及其它添加剂的混合物包埋Ti3SiC2材料的样品，经高温热扩散，获得硼化物涂层。制备过程并不需施加外力，不用在真空中进行，所以它方法简单，并且成本低廉。
3.采用本发明能处理光滑表面，还能处理具有复杂表面的实际工件，实用性强。
4.由于本发明利用了TiB2的特殊物理化学性质，所以，应用本发明将大大提高Ti3SiC2材料的使用效率并拓宽其应用范围。
附图说明
图1为本发明Ti3SiC2经渗硼处理后表面的X射线衍射谱。
图2为本发明Ti3SiC2经渗硼处理后表面形成的硼化物涂层扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明。
实施例1
本发明固体粉末混合物的组成：碳化硼粉纯度≥90％，粒度≤0.4毫米；碳化硅粉纯度≥88.5％，粒度≤0.2毫米；硅粉纯度≥99.00％，粒度≤0.4毫米；氟硼酸钾为分析纯；氟化钠为分析纯。
本实施例具体数据为：Ti3SiC2样品尺寸为5×5×2毫米，粉末混合物组成以重量百分比计：64％碳化硼、32％碳化硅、1％硅、2％氟硼酸钾、1％氟化钠，总重量为100g。充入氩气(99.99％Ar)，加热温度为1300℃，升温速度为8℃/min，保温时间为8小时，炉冷至室温后取出试样。
X射线衍射分析表明，经上述工艺处理后Ti3SiC2材料表面主要形成了二硼化钛涂层，X射线衍射谱见图1。用扫描电子显微镜观察表面和断面，证实渗后的样品表面光滑，呈灰白色；形成了完整连续且结合力好的涂层，厚度约为18微米，参见图2。通过测量渗后样品的质量变化，渗入的量为1.30mg/cm2。表面维氏硬度大约为23GPa。
实施例2
与实施例1不同之处在于：Ti3SiC2材料样品5×5×2毫米，粉末混合物组成以重量百分比计：45％碳化硼、50％碳化硅、2％硅、2％氟硼酸钾、1％氟化钠，总重量为100g。充入氦气(99.99％He)，加热温度为1400℃；升温速度为6℃/min，保温时间为6小时。炉冷至室温后取出试样。
经检验在Ti3SiC2材料样品表面形成36微米厚左右的二硼化钛涂层。通过测量渗后样品的质量变化，渗入的量为2.75mg/cm2。表面维氏硬度大约为24GPa。渗后的样品表面光滑，呈灰白色。断面观察，涂层连续完整，与基体结合良好。
实施例3
与实施例1不同之处在于：Ti3SiC2材料样品5×5×2毫米，粉末混合物组成以重量百分比计：50％碳化硼、46％碳化硅、1％硅、2％氟硼酸钾、1％氟化钠，总重量为100g。加热温度为1100℃；升温速度为6℃/min，保温时间为10小时。炉冷至室温后取出试样。
经检验在Ti3SiC2材料样品表面形成5微米厚左右的二硼化钛涂层。通过测量渗后样品的质量变化，渗入的量为0.35mg/cm2。表面维氏硬度大约为22GPa。渗后的样品表面光滑，呈银白色。断面观察，由于所用Ti3SiC2材料含有杂质相SiC，涂层在SiC处未有覆盖，其余处与基体结合良好。