反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法.pdf

本发明提供一种反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，采用钨极氮弧焊设备，以钨电极作为阴极，以表面预涂按一定比例配制的石墨粉和钛铁粉金属基体作为阳极，在氮气保护下利用氮弧热源进行熔覆，在金属基体表面反应合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层。本发明使用设备简单，操作简单、制备成本低、涂层性能好、实用性强，对改善金属的表面耐磨性具有很高的实用价值。

1.  一种反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于采用钨极氮弧焊设备，以钨电极作为阴极，以表面预涂按一定比例配制的石墨粉和钛铁粉金属基体作为阳极，在氮气保护下利用氮弧热源进行熔覆，在金属基体表面反应合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层，包括以下步骤：
(1)备料：将纯度为99.2％～99.5％、100～400目的钛铁粉和纯度为99.9％～99.99％、100～400目的石墨粉末按钛铁粉中Ti元素和石墨中的C元素的摩尔分数比Ti∶C＝2∶1配成混合粉末，随后将上述混合粉末在氩气保护下，用球磨机研磨30～60分钟，使之混合均匀，然后用丙酮稀释自制的粘结剂将上述研磨后的混合粉末调成糊状，备用；
(2)打磨：用砂纸打磨金属基体表面直到出现金属光泽，彻底去除试件表面的氧化皮、锈蚀及其它污染物；
(3)清洗：用丙酮酒精溶液清洗打磨后的基体表面，彻底去除试件表面的油污；
(4)预涂：将预先调制好的糊状钛铁粉和石墨粉涂覆在经打磨和清洗后的试件表面，涂覆厚度1.0～2.0mm，涂覆过程中不断压实涂覆层；
(5)干燥：将涂覆好的试件自然阴干24～30小时后再将其放置在真空干燥箱中100～150℃下烘干2～3小时；
(6)熔覆：用氮弧焊机进行搭接烧熔，工艺参数为钨极直径1～3mm，焊接电压10～12V，焊接电流30～120A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，焊接速度1～4mm/s，熔覆道次重叠率30％-50％，所述氮弧能量使部分氮气电离并使阳极熔化或熔融，电离的氮气及未电离的氮气与熔化或熔融的阳极反应合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层；
(7)保温：熔覆结束后将试件放入保温箱中随炉冷却至室温。

2.  根据权利要求1所述的反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于所述的金属基体为任意金属。

3.  根据权利要求1所述的反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于调整石墨粒度、石墨纯度、钛铁粉粒度、钛铁粉纯度、氮气纯度、氮气供给量、预涂厚度、钨极直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、道次重叠率等，可以获得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂层。

反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷/金属涂层制备技术的范畴，特别涉及一种在氮气保护下，采用钨极氮弧焊设备，以钨电极作为阴极，以表面预涂按一定比例配制的石墨粉和钛铁粉金属基体作为阳极，在氮弧烧熔过程中，被电离的高纯氮气及未被电离的氮气与熔化或熔融的石墨及钛铁粉反应生成大厚度碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备技术。
背景技术
钛及其合金因其轻质、较高的机械性能和优良的耐蚀性，在化学工业、能源、航空、医学等领域得到广泛应用。但钛及其合金硬度低、耐磨性差，限制了其更加广泛的应用，因此有必要提高钛及其合金表面的耐磨性。碳氮化钛是一种性能优良、用途广泛的非氧化物材料，也是一种性能优异的涂层材料，它兼有氮化钛和碳化钛的特性和优点。与碳化钛相比，碳氮化钛的塑性、耐磨性更优异；与氮化钛相比，碳氮化钛具有更好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能、更低的摩擦因数。目前，碳氮化钛基金属陶瓷涂层的等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、空心阴极离子镀、离子束辅助沉积、粉末冶金真空烧结、激光熔覆等制备技术得到了广泛的应用和研究。分析上述方法，会发现它们一般都具有设备价格昂贵，工艺复杂，制备的涂层薄，涂层制备效率低、生产成本高等一种或几种缺点，因此限制了其在工业生产中的普遍应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备工艺简单、生产成本低、制备效率高的碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法。本发明将反应合成技术与氮弧熔覆技术相结合，利用熔覆工艺在金属基体表面原位合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层。
本发明的目的通过以下措施实现，反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，在氮气保护下，采用传统直流钨极氮弧焊焊机，以钨电极作为阴极，以表面预涂按一定比例配制的石墨粉和钛铁粉金属基体作为阳极，熔覆过程中，氮弧作用在将阳极熔化或熔融的同时使部分氮气电离，电离的氮气及未被电离的氮气与熔化或熔融的石墨及钛反应[Ti+[N]→TiN，Ti+C→TiC，式中[N]可以是氮原子、氮分子或氮离子(N^-、N⁺)]，生成厚度大，硬度高，韧性好，耐磨性好的碳氮化钛基金属陶瓷涂层：
(1)备料：将纯度为99.2％～99.5％、100～400目的钛铁粉和纯度为99.9％～99.99％、100～400目的石墨粉末按钛铁粉中Ti元素和石墨中的C元素的摩尔分数比Ti∶C＝2∶1配成混合粉末，随后将上述混合粉末在氩气保护下，用球磨机研磨30～60分钟，使之混合均匀，然后用丙酮稀释自制的粘结剂将上述研磨后的混合粉末调成糊状，备用。
(2)打磨：用砂纸打磨金属基体表面直到出现金属光泽，彻底去除试件表面的氧化皮、锈蚀及其它污染物。
(3)清洗：用丙酮酒精溶液清洗打磨后的基体表面，彻底去除试件表面的油污。
(4)预涂：将预先调制好的糊状钛铁粉和石墨粉涂覆在经打磨和清洗后的试件表面，涂覆厚度0.5～2.0mm，涂覆过程中不断压实涂覆层。
(5)干燥：将涂覆好的试件自然阴干24～30小时后再将其放置在真空干燥箱中100～150℃下烘干2～3小时。
(6)熔覆：用氮弧焊机进行搭接烧熔，工艺参数为钨极直径1～2mm，熔覆电压10～12V，熔覆电流30～120A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，熔覆速度1～4mm/s，熔覆道次重叠率30％～50％，所述氮弧能量使部分氮气电离并使阳极熔化或熔融，电离的氮气及未电离的氮气与熔化或熔融的阳极反应合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层。
(7)保温：熔覆结束后将试件放入保温箱中随炉冷却至室温。
上述的反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，可以通过对石墨粒度、石墨纯度、钛铁粉粒度、钛铁粉纯度、氮气纯度、氮气供给量、预涂厚度、钨极直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、道次重叠率等的调整，可获得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂层。
本发明具有积极的效果：本发明提供的反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法，在氮气保护下，采用常规氮弧熔覆工艺原位合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层。本发明不需要预先合成碳氮化钛粉体，而是利用碳氮化钛形成元素在氮弧烧熔过程中通过反应直接合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层，方法简单，成本低，提高了碳氮化钛基金属陶瓷涂层的制备效率，从根本上解决了等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、空心阴极离子镀、离子束辅助沉积、粉末冶金真空烧结、激光熔覆等方法存在的问题，开辟了碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备的新途径。本发明可通过调整石墨粒度、石墨纯度、钛铁粉粒度、钛铁粉纯度、氮气纯度、氮气供给量、预涂厚度、钨极直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、道次重叠率等以获得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂层。本发明综合利用熔覆和原位合成技术，可在金属基体表面获得厚度高达2mm且与基体呈冶金结合的碳氮化钛基金属陶瓷涂层，该涂层表面平整，组织致密，热稳定性高、硬度高、耐磨性好。利用本发明在Q235钢表面制备的涂层硬度高达2810Hv、耐磨性约是基体的9～14倍。本发明提供的反应氮弧熔覆碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备方法对改善金属零件的表面耐磨性有很高的实用价值。
具体实施方式
实施例1：
本实施例中，在30mm×15mm×10mm的Q235试件表面制备碳氮化钛基金属陶瓷涂层，具体实施方式如下：
(1)将纯度为99.5％、200目的FeTi25钛铁粉和纯度为99.9％、200目的石墨粉末按钛铁粉中Ti元素和石墨中的C元素的摩尔分数比Ti∶C＝2∶1配成混合粉末。
(2)将上述混合粉末在氩气保护下，用球磨机中研磨40分钟。
(3)用丙酮稀释自制的粘结剂将上述研磨后的混合粉末调成糊状。
(4)用200目砂纸打磨试件表面直到出现金属光泽，彻底去除试件表面的氧化皮、锈蚀及其它污染物。
(5)用丙酮酒精溶液清洗打磨后的试件表面，彻底去除试件表面的油污。
(6)将预先调制好的糊状粉末涂覆在经打磨和清洗后的试件表面，涂覆厚度1mm，涂覆过程中不断压实涂覆层。
(7)将涂覆好的试件自然阴干24小时后再将其放置在真空干燥箱中150℃下烘干2小时。
(8)用YC-300WP4VTA型交直流脉冲焊机进行搭接熔覆，工艺参数为：钨极直径2mm，焊接电压10V，焊接电流100A，氮气流量12L/min，氮气纯度99.99％，焊接速度3mm/s，熔覆道次重叠率40％±2％。
(9)熔覆结束后将试件放入保温箱中缓冷至室温。