本发明涉及在使用中通常受到机械磨损的工业制品，诸如粉碎机的筛板，和延长这类制品使用寿命的方法。 在世界上的各个工业部门，许多机械装置在其正常的使用过程中，受到由磨蚀、剥蚀和/或腐蚀引起的磨损作用。工业界花费了极大的费用，对在不起化学作用和腐蚀性工作环境下，由于过度磨损而过早报废的元件进行替换。许多元件如果用较硬的耐腐蚀材料制造，其使用寿命可以长一些，但是，这样的做法却经常由于花费过高而受到阻碍，这是因为花费的高低正是成功与失败之间的区别所在。
许多方法都可以用于在工业元件上进行表面硬化或喷镀耐腐蚀和磨损的材料。最老的已知方法是扩散处理、氮化和碳化铁基材料。使用这样技术的缺点是，这样的技术需对元件进行升温。对元件进行升温除去与能量和操作时间相伴随的高花费外，还可能引起元件的尺寸变化和机械性能的损失，使得元件不适于使用，并且/或在表面处理后，还需要一个进一步的热处理工序，以及一个随后进行的清理工序。
电镀，通常用于产生硬的铬或镍镀层。它涉及将欲电镀地元件清理到很高的洁净程度，并需使用有毒的溶液。而这样的溶液当以保证环境安全的方式处理时，需花费很高的费用。
化学和物理的蒸汽喷涂涂层需要很高的投资，很高的加工费用，并且只限于很薄的涂层和小元件。
在可以用于不受元件尺寸和涂层厚度限制、对元件进行喷涂的热喷涂方法中，火焰喷涂经常生成一种带有氧化物杂质的多孔涂层。
等离子喷涂，特别是如果在一个真空或大气室中进行，将会产生一层致密均匀的涂层，但其费用昂贵，因此在使用上受到了限制。
高速爆涂枪可以在基体上喷涂致密的陶瓷涂层，但这样的设备、喂料粉末和加工过程都是非常昂贵的。
使用惰性气体的电弧喷涂可以产生致密均匀的涂层，这种涂层可以很好地粘结到各种基体材料上。不需高焓火焰的电弧喷涂氮化钛与高热量输出、能够破坏或改变基体材料的等离子和火焰喷涂工艺相比，是一种冷喷涂工艺。并且，它的设备投资、运行费用比等离子高速喷涂方法的一半还少，比化学蒸汽喷涂法的小大约一个数量级。在本发明公开的电弧喷涂氮化钛型涂层的工艺中，欲喷涂表面除了喷砂外，不需作任何特别的准备。
对于一个在使用中通常受到磨蚀、剥蚀和/或腐蚀作用的元件，为了延长其磨损寿命，可以通过电弧热喷涂工艺，用氮气作为推进（雾化）气体、用钛金属线作为进料材料，在该元件上喷涂一层氮化钛涂层。并且，由一条已预氮化处理过的钛线所产生的涂层在硬度和耐磨方面都超过如果使用未预氮化处理的钛线对基体进行喷涂而得到的涂层。本发明包括使用两种不同的金属线材进行氮气电弧喷涂所得到的涂层，但这两种金属线材中至少有一种是钛金属线。
图1示意地表示了一个用于实施本发明工艺、对受磨损作用的元件进行喷涂的典型的电弧喷涂装置。
图2是一幅金相照片，表示钛线在处理前的金相结构。
图3是一幅金相照片，表示钛线在预氮化处理后的金相结构。
对于一个在使用中通常受到机械磨损作用的元件，增加其使用寿命，可以为制造者和使用者节省相当大的费用。例如，在对诸如橡胶、塑料等这类材料进行粉碎，用于再转变成化合物的过程中，如果将冲击粉碎机（例如锤式粉碎机）中用于筛分物料的筛板的使用寿令延长一倍，将会得到重大的效益。
增加工业元件耐磨能力的一种方法是，在元件受磨损的表面喷涂一层氮化钛涂层。已经发现，如果电弧喷涂工艺用于喷涂这样的涂层，并且用高纯度的氮气代替空气作为推进气体，那么，钛线熔融后，钛便在电弧喷涂装置和将要喷涂上一层氮化钛涂层的基体之间氮化，同时只受到微弱的氧化作用。这种电弧喷涂工艺可以在没有气氛室或加热炉或随后氮化涂层的情况下使用。如果钛线在放入电弧喷涂装置之前受到氮化处理，可以得到一个具有特殊效果的涂层。
氮气作为推进（雾化）气体，在电弧热喷涂过程中，和钛在飞行过程中反应，生成氮化钛化合物。当熔融的钛滴落到正在涂覆的元件表面时固化，形成一层硬的氮化钛基涂层，从而防止元件磨损和腐蚀。
利用氮气作为一种推进气体，进行氮化钛涂层的电弧喷涂与通过等离子体、高速燃烧喷涂技术以及化学蒸汽沉淀、物理蒸汽沉淀技术进行的喷涂相比，成本低廉。此外，氮化钛和氧化钛与在其它硬化表面技术中使用的铬、镍、磷相比，是无毒的，因此，这样的涂层适合在食品加工设备中使用。另外，电弧喷涂只需花费数分钟，而非其它，工艺的数小时，不产生有毒的副产品，并且这种工艺只需很少的投资。
正如图1所示的那样，电弧喷涂装置10包括一个电弧枪12、一个恒压电源14、一个控制台16和一个由金属线卷筒18和20分别标示的金属线进给装置。电弧喷涂枪12包括两套进给辊22、24，以分别使金属线26、28进给穿过电弧喷涂枪12，到达喷嘴端30，在此，由于不同极性的电流（例如，如图所示），在金属线26和28之间产生一个电弧。当金属线由于电弧的作用熔融时，压缩氮气在枪12上按照箭头32所示的方向进入电弧区。氮气在到达喷嘴30处时，引起熔融的金属弥散成雾滴流。压缩的氮气除了使熔融的金属雾化外，还推进雾化了的金属（喷涂流）移向一个基体34，诸如一个一般锤式粉碎机的筛板34。雾化的钛在随氮气气流飞行的过程中，与氮气反应，生成一种氮化钛化合物。
基体34可以垂直或水平地设置，并且，基体34或者是电弧枪12可以摆动，以便在电极的全部长度上喷涂一层均匀的涂层。
金属线进料器18和20也可以包括一对辊子36、38，以帮助金属线从卷筒进给到枪12中。在枪12中的进给辊子对金属线的进给可以是推或拉或二者相结合，以使金属线移动并穿过电弧枪12。
研究发现，虽然使用钛线和氮气通过电弧热喷涂工艺在基体上喷涂一层普通的氮化钛涂层可以得到增加了耐磨性的涂层，但如果对所使用的钛线进行预处理，以增加其氮的含量，那么所得到的涂层更硬，进一步增加了元件的使用寿命。
对钛线进行预处理是因为已经发现，N2喷涂的TiXN涂层既缺乏氮元素（N）又易于飞行氧化。此外还有两个原因：（1）制造厂所提供的Ti线穿过电弧喷枪管的进给是有困难的，而在Ti线上的氮化层能够减小Ti线的进给摩擦阻力;（2）电弧喷涂的TiXN在喷涂之后的氮气退火也许并非总能进行，因为某些基体对升温比较敏感，并且/或在TiXN涂层和基体的热膨胀率之间可能存在过大的不匹配，而这样的不匹配会损坏涂层，例如在St。钢基上的TiXN涂层就是这样。
对钛线进行预处理的试验包括选择钛线的退火条件、测试使用退火的钛线的喷涂能力和测定用退火的钛线所喷涂的涂层。下述的表1表明钛线的退火条件选择的过程，表中表明第三号退火试验是最佳的、可用的。在N2气氛中退火并且最初为“硬”和“软”状态的钛线横截面上的不同的显微硬度（例如269比150维氏硬度）表明，在氮气气氛中退火可以在高于1000℃的温度下进行。表2表明，由于我们1000℃的N2气氛中退火，使得钛线中吸收了8倍的〔N〕。
表1
用于选择N2退火条件的试验
J和W带式加热炉，在加热区处理25～29分钟，干燥室气体
试验编号 条件 目的 结果
＃1 N2-10%H2在 用H2削弱钛线上 硬的和软的钛
（@）1000℃ 的氧化钛薄膜，使N2加速扩散进钛线 线全部变脆，
N2加速扩散进钛 钛线已不可能
线 变形
＃2 N2-纯在800℃ 防止所观测的钛线 两种（H/
脆化 S）＊钛线的
颜色和机械性
能都没有改变
＃3 N2-纯在1000℃ 增加Ti的氮化活 两种（H/S）
性，但放弃H2活 钛线都呈黄色
化Ti线的表面 （TiN色），
在钛线上有一
层薄而均匀、
光滑的氮化物
＊H/S，即“硬”和“软”Ti线，是两种不同型号、全部试验都使用的、由制造厂提供的进给材料，二者都是纯钛，其不同的硬度是由于钛线制造厂拨丝工艺结束时的退火温度不同产生的。
表2
在制造厂提供的和受N2处理过的Ti（软）线中的氮含量J和W带式加热炉，在加热区处理25～29分钟，N2-纯在1000℃
制造厂提供的 N2处理过的
91wppm 790wppm
最初的喷涂能力试验表明，尽管在氮化处理的钛线上有一层黄色氮化退火后（氮化处理）表层，但这样的钛线仍然可以象未氮化处理的（制造厂提供的）钛线一样熔融、雾化和喷涂。另外，使用连续用氮气氛退火的“软”金属线进行的试验表明，这种黄色氮化退火后的表层实际上使钛线平滑地进入电弧枪，这在喷涂过程中极大地改善了电弧的稳定性。
使用N2气氛退火的钛线喷涂的TiXN涂层可以与先前使用未N2气氛退火的钛线而得到的和/或喷涂后N2气氛退火而得到的涂层相比。这种新涂层的外表、表面粗糙度、自粘结能力、对基体的附着能力（弯曲试验）都和过去喷涂的涂层的情况一样。然而，努氏显微硬度的测量结果揭示了这两种涂层之间的巨大差别。在“硬”钛线的情况下，使用N2气氛退火的钛线所喷涂的涂层，其硬度和通过喷涂基本纯的钛、并随后通过喷涂后N2气氛中退火所得的涂层的一样。而这两种涂层的硬度都比使用未氮化处理的钛线在没有喷涂后N2气氛退火的情况下所得到的涂层的高得多。使用N2气氛退火的“软”钛线所得到的TiXN涂层的硬度与不锈钢和碳钢基体的相比，是最高的。该涂层比不锈钢硬6.3倍，比碳钢硬9倍。
已发现钛线在N2气氛下进行预处理，增加了TiXN涂层的氮含量，改善了氮化的化学配比（降低了X），因此改善了TiXN涂层的硬度。尽管如此，增加氮含量并不会减小TiXN涂层的自粘结能力。
这种新涂层的显微硬度至少相似于喷涂后退火处理的涂层，这就使得喷涂后的元件没有必要再进行退火处理。反过来说，钛线在N2气氛下的预处理和喷涂后涂层N2气氛的退火处理可以作为涂层硬度控制的两种独立的方式。另外，这种金属钛线的预处理降低了钛线在电弧枪管中的摩擦阻力，改善了电弧的稳定性。
对于钛线，在纯度等级上没有任何的特殊要求或规格，即对于Fe、V等没有专门的要求，任何工业纯度、即非合金的钛线都可以使用。一般来说，工业纯度的钛线应该有不超过100ppm的氮（按重量计）。另外，对于钛的任何物理条件，例如，软、硬或半硬，都是可以接受的。
图2是一种典型钛线在预氮化处理前的金相照片。
对钛线的预氮化处理应该给出下述特征：
（a）在处理过的钛线上生成一层金色的TiN膜，
（b）使氮的含量增高，例如高于500ppm（重量百分率），
（c）处理后的钛线芯部应当保持金属状态，以便保持钛线的柔韧性，这种柔韧性是从卷筒处供给电弧枪钛线所要求的。因此，这就意味着在钛线中，氮含量的上限是20%（按重量百分比）。
如图3所示，预处理过的（退火处理过的）钛线的金相结构从表面到芯部应当显现出与从表面到芯部的硬度（维氏硬度）级别相应的粗圆颗粒的生长。
根据本发明，主要由氮化钛构成的均匀耐磨、耐腐蚀的涂层可以喷涂在各种基体材料上。这样的涂层是使用直径为0.062或0.030英寸并按上述方式进行预处理的钛线以及用氮气作为推进（雾化）气体，通过电弧喷涂工艺进行喷涂的。在此，氮气取代高洁净的空气作为推进气体可以使钛进一步氮化并减少氧化作用。在本发明中，两卷钛线以一恒定的速度分别喂入电弧喷枪12，在电弧喷枪12中，这两卷钛线之间在势差为28～48伏特、电流为100～400安培的条件下放出电弧。另外，其中一卷钛线可以和另一种用于与TiXN构成假合金涂层的喷涂材料一起喂入电弧喷枪。这里另一种喷涂材料可以包括硬的Fe、Cr、Ni、Mo、和W合金及化合物，以及软的、起粘结作用的非铁金属及合金。由同时使用钛线和非钛线所生成的涂层虽然硬度较低，但有很高的抗冲击性。在本发明中，所要求的喷涂条件仍保持不变，喂入喷嘴的氮气气流的表压为30～130磅/吋2，熔融的钛滴在飞行过程中和氮气反应，在基体34上形成氮化钛涂层;基体和喷涂枪之间的距离为3～8英寸;基体在喷涂之前进行喷砂处理，以便增加涂层和基体之间的机械粘结强度;涂层本身的厚度可以为0.001英寸至数英寸。
将特别是低温下粉碎橡胶的锤式粉碎机筛板在上述条件下喷涂三次，达到0.012英寸的额定厚度，使用结果表明，按照本发明喷涂的筛板，其使用寿命是没有喷涂的筛板的2～10倍。另外，将经喷涂的元件长期放置在海水中进行腐蚀暴露试验，结果表明，涂层上没有产生明显的变化。因此，经喷涂的元件已经表明，其耐磨，耐腐蚀能力大为提高。
氮化钛化合物构成的涂层，其耐磨耐腐蚀能力高于金属基体的，其硬度值按照V氏法测定为860～1500（维氏硬度）显微硬度。这比一般的基体材料硬5～11倍。
本发明的工艺可以用于任何能够接受氮化钛粘结涂层的材料。这种氮化钛粘结涂层能有效地增加基体的耐磨性能，并能通过一种经济的方法涂覆在基体材料上。本发明的工艺除了用于锤式粉碎机的筛网外，还可以用于一种研磨金属盐材料的气流粉碎机上。从前由于金属盐材料对这种粉碎机的内表面具有腐蚀作用，使得该浅色的材料变灰。用本发明喷涂一台实验磨，由于所生产的白色材料没有变灰，故说明它是在没有明显污染的情况下，对金属盐进行研磨的。
一种离心kelp处理机上所用的磨损夹按照本发明进行喷涂后，其寿命比使用者用碳化钨涂覆的长两倍。
在对我们的发明进行这样的描述之后，我们想要得到专利保护的内容由权利要求给出。