专利名称：一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺的制作方法
技术领域：
本发明一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺，属于金属材料表面冶金改性技术的范畴。
背景技术：
Ti和N组成的化合物TiN1-x可以在很宽的组成范围内稳定存在，其中F.C.C结构的TiN因具有高硬度、低的摩擦系数、高粘着强度、化学稳定性好、漂亮的金黄色、良好的导电性、导热性与钢铁材料的热膨胀系数相近等优点而被广泛应用于航空、航天、机械、交通、石油化工、医疗等领域。特别是被用作高质量的切割工具，抗磨粒、磨蚀和磨损部件的表面工程材料，具有广阔的应用前景。
目前制备TiN的主要方法是化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子增强(PCVD)、离子束增强沉积技术(IBED)、多弧离子镀等。因化学气相沉积需要一套提供制备含钛卤化物气体的设备，工艺复杂，成本较高，且CVD工艺也有其先天性的缺陷，一是薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；二是CVD工艺所排放的废气、废液会造成工业污染，卤化物气体不仅对设备有腐蚀作用而且对环境影响较大，与目前所提倡的绿色工业相抵触，因此九十年代中期后CVD技术的发展受到了一定的制约；采用一般的PVD沉积方法制得的TiN涂层，与CVD法相比，PVD法形成的涂层较薄，一般在1～3μm，与基体的粘着牢度稍低，且绕镀性较差，由于结合强度较低，易于从基底剥落，影响了零件的使用寿命；其它技术设备价格昂贵、成本高，并且大多形成的是镀层，在使用中也受到一定的限制。
双层辉光等离子渗金属技术是由我国大陆学者发明的并于1985年5月8日获得美国专利，专利号为4731539。利用该技术已成功在基体表面形成Ni，Cr，W，Mo单元渗及Ni-Cr，W-Mo，Ni-Cr-Mo-Nb等多元渗，该技术的最显著的特点是能够在基体表面形成所需厚度的结合强度极佳的渗镀扩散层。且具有节约贵金属，节省能源、无公害，并可大面积处理及表面合金成分可控等显著优点属于绿色技术。
发明内容
本发明一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺其目的在于，公开一种采用辉光离子渗金属技术实施Ti-N共渗形成TiN复合渗镀扩散陶瓷层的工艺方法，它是在双层辉光离子渗金属技术基础上将欲渗镀金属钛以钛丝方式插入平板或圆桶中，在低电压下利用针状钛丝的空心阴极效应和钛丝表面的尖端放电效应和工件与针状钛丝之间的空心阴极效应，将钛原子、离子及粒子以高密度形式溅射出来，在仅通入氩气的真空容器中，使工件表面渗入合金元素钛，形成合金扩散层，然后通入一定混合比的氩气和氮气(或氨气)，在这样的放电空间中使工件一方面不断有钛元素的吸附和扩散，另一方面钛元素与氮元素在工件表面产生化学反应，形成TiN的晶核并长大。
本发明一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺其特征在于，是一种用辉光等离子技术实施Ti-N共渗形成TiN复合扩散渗镀陶瓷合金层的工艺方法，其步骤为I.装置的设置是在真空容器(1)内，设置欲渗金属源极(2)，被渗金属工件(3)，垫片(4)，同时配有抽气系统(5)、(6)，供气系统(7)、(8)和电源控制系统(9)、(10)，其特征在于是将真空容器(1)的炉壳作为阳极并接地；欲渗金属源极(2)做成平板状或圆桶状并将金属钛以φ3-10的丝状形式插入到平板或圆桶中且钛丝与钛丝之间间隔8-15mm，长度为10-50mm；被渗金属工件(3)作为阴极位于欲渗金属源极(2)的下方10-28mm处；起连通或隔离欲渗金属源极(2)与被渗金属工件(3)且便于实施等电位和不等电位的电源控制，还可起到真空容器(1)内气氛的流通作用的垫片(4)由金属材料或非金属陶瓷材料制作；II.具体的工艺第一步.把真空容器(1)，由机械泵抽气系统(5)抽到1Pa，再用分子泵抽气系统(6)抽到5.0×10-3Pa真空度后，由供气系统(7)提供200ml/min的氩气，在阳极(1)和源极(2)工件极(3)加入可调直流电源(9)、(10)，电压在100-700V，使其产生辉光放电，开始使用低电流0.1-1A高电压600V以上进行2min-10min的清理工件，将电压调到100-700V范围，利用空心阴极和尖端放电效应使被渗金属工件升温到800-1300℃使溅射出来的钛以原子、离子、粒子的形式吸附到被渗金属工件上，保温1-6h，钛的渗镀扩散层达到10-80μm；第二步.供给氩气和氮气的混合气，分压为20Pa-50Pa，在真空容器(1)和金属源极(2)被渗金属工件(3)加入可调直流电源(9)、(10)，金属源极(2)和被渗金属工件(3)电压控制在100-700V，工件温度达到800-1300℃，溅射出来的钛原子、离子，离解后的氮原子、离子在工件负偏压的作用下快速到达工件表面，其中一部分氮的原子和离子参于阴极的轰击和溅射，一部分氮原子和离子与工件表面的钛原子形成TiN，一部分则吸附于工件表面向内扩散，当氮原子扩散进入渗钛层时，立即与钛原子形成TiN化合物，TiN沉积扩散层达到8-30μm。
上述的合成TiN时通入的氩气、氮气的混合气体的比例为100∶3、100∶6、100∶9，100∶12。
本发明的优点及用途在于将欲渗金属源极以金属钛丝的形式插入到平板或圆桶中使欲渗金属源极和阴极有机结合，形成的组织为TiN+含有TiN的固溶体+基体组织。使得基体与表面的组织成为连续的TiN扩散层，表面硬度高，为TiN结构，向内逐步降低。其TiN合金层和扩散层厚度高达10μm以上，表面含钛和氮的成分也高向内呈梯度分布。实现了Ti-N共渗形成TiN复合扩散渗镀陶瓷合金层。
四
附图1为本发明的实施装置示意中标号为1.真空容器 2.金属源极 3.被渗金属工件 4.垫片 5.机械泵抽气系统 6.分子泵抽气系统 7.氩气供气源 8.氮气供气源9.工件电源 10.金属源极电源五具体实施方式
实施方式1将欲渗的金属钛以钛丝的形式插入到金属源极2上端平板上或四周圆桶上，被渗金属工件3放置在阴极上，阳极接在真空容器炉壳上并接地。把真空容器1先由机械泵抽气系统5抽到1Pa，再用分子泵抽气系统6抽到5.0×10-3Pa真空度后，以50ml/min流量通入氩气到8Pa，使用低电流高电压600V以上进行2min-10min的清理工件表面，通入氩气到20Pa，金属源极2和被渗金属工件3加入相等直流电压200V，使被渗金属工件升温到800℃溅射出来的钛以原子、离子、粒子的形式吸附到被渗金属工件上，保温3小时，使被渗金属工件3由表及里固溶扩散10μm的钛渗镀扩散层。然后按100∶3的比例通入反应气体氮气，气压为20Pa，金属源极2和被渗金属工件3直流电压200V，被渗金属工件温度达到800℃，保温3小时，由于氮原子的原子半径小，在金属中是间隙扩散，所以扩散速度较金属原子快。并且氮原子与钛原子之间有较强的结合能，从而使得在一定时间内渗钛合金化层成为TiN固溶体扩散层，反应渗镀TiN为8μm，表层硬度为1800 Hv0.1。
实施方式2工艺过程与实施方式1基本相同，工艺参数变化如下渗镀钛时氩气通到30Pa，金属源极2和被渗金属工件3加入相等直流电压350V，被渗金属工件温度920℃，保温3小时，钛渗镀扩散层12μm；形成TiN复合渗镀层时，氩气与氮气的流量比为100∶6，金属源极2和被渗金属工件3直流电压350V，气压35Pa，被渗金属工件温度920℃，保温2小时，TiN复合渗镀层为12μm，表层硬度为2200Hv0.1。
实施方式3工艺过程与实施方式1基本相同，工艺参数变化如下渗镀钛时氩气通到40Pa，金属源极2和被渗金属工件3加入相等直流电压500V，被渗金属工件温度1020℃，保温2小时，钛渗镀扩散层13μm；形成TiN复合渗镀层时，氩气与氮气的流量比为100∶9，金属源极2和被渗金属工件3直流电压500V，气压45Pa，被渗金属工件温度1020℃，保温3小时，TiN复合渗镀层为20μm，表层硬度为2400Hv0.1。
实施方式4工艺过程与实施方式1基本相同，工艺参数变化如下渗镀钛时氩气通到50Pa，金属源极2和被渗金属工件3加入相等直流电压650V电流，被渗金属工件温度1300℃，保温1小时，钛渗镀扩散层15μm；形成TiN复合渗镀层时，氩气与氮气的流量比为100∶12，金属源极2和被渗金属工件3直流电压650V，气压50Pa，被渗金属工件温度1300℃，保温1小时，TiN复合渗镀层为13μm，表层硬度为2000Hv0.1。
实施方式5工艺过程与实施方式1基本相同，工艺参数变化如下渗镀钛时氩气通到40Pa，金属源极2和被渗金属工件3加入相等直流电压500V，被渗金属工件温度1020℃，保温4小时，钛渗镀扩散层35μm；形成TiN复合渗镀层时，氩气与氮气的流量比为100∶9，金属源极2和被渗金属工件3直流电压500V，气压45Pa，被渗金属工件温度1020℃，保温4小时，TiN复合渗镀层为25μm，表层硬度为2800Hv0.1。
实施方式6工艺过程与实施方式1基本相同，工艺参数变化如下渗镀钛时氩气通到50Pa，金属源极2和被渗金属工件3加入相等直流电压650V，被渗金属工件温度1300℃，保温6小时，钛渗镀扩散层80μm；形成TiN复合渗镀层时，氩气与氮气的流量比为100∶12，金属源极2和被渗金属工件3直流电压650V，气压50Pa，被渗金属工件温度1300℃，保温3小时，TiN复合渗镀层为30μm，表层硬度为3200Hv0.1。
权利要求
1.一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺其特征在于，是一种用辉光等离子技术实施Ti-N共渗形成TiN复合扩散渗镀陶瓷合金层的工艺方法，其步骤为I.装置的设置是在真空容器(1)内，设置欲渗金属源极(2)，被渗金属工件(3)，垫片(4)，同时配有抽气系统(5)、(6)，供气系统(7)、(8)和电源控制系统(9)、(10)，其特征在于是将真空容器(1)的炉壳作为阳极并接地；欲渗金属源极(2)做成平板状或圆桶状并将金属钛以φ3-10的丝状形式插入到平板或圆桶中且钛丝与钛丝之间间隔8-15mm，长度为10-50mm；被渗金属工件(3)作为阴极位于欲渗金属源极(2)的下方10-28mm处；起连通或隔离欲渗金属源极(2)与被渗金属工件(3)且便于实施等电位和不等电位的电源控制，还可起到真空容器(1)内气氛的流通作用的垫片(4)由金属材料或非金属陶瓷材料制作；II.具体的工艺第一步.把真空容器(1)，由机械泵抽气系统(5)抽到1Pa，再用分子泵抽气系统(6)抽到5.0×10-3Pa真空度后，由供气系统(7)提供200ml/min的氩气，在阳极(1)和源极(2)工件极(3)加入可调直流电源(9)、(10)，电压在100-700V，使其产生辉光放电，开始使用低电流0.1-1A高电压600V以上进行2min-10min的清理工件，将电压调到100-700V范围，利用空芯阴极和尖端放电效应使被渗金属工件升温到800-1300℃使溅射出来的钛以原子、离子、粒子的形式吸附到被渗金属工件上，保温1-6h，钛的渗镀扩散层达到10-80μm；第二步.供给氩气和氮气的混合气，分压为20Pa-50Pa，在真空容器(1)和金属源极(2)被渗金属工件(3)加入可调直流电源(9)、(10)，金属源极(2)和被渗金属工件(3)电压控制在100-700V，工件温度达到800-1300℃，溅射出来的钛原子、离子，离解后的氮原子、离子在工件负偏压的作用下快速到达工件表面，其中一部分氮的原子和离子参于阴极的轰击和溅射，一部分氮原子和离子与工件表面的钛原子形成TiN，一部分则吸附于工件表面向内扩散，当氮原子扩散进入渗钛层时，立即与钛原子形成TiN化合物，TiN沉积扩散层达到8-30μm。
2.按照权利要求1所述的一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺，其特征在于所述的合成TiN时通入的氩气、氮气的混合气体的比例为100∶3、100∶6、100∶9，100∶12。
全文摘要
一种制备氮化钛复合陶瓷的工艺属于金属材料表面冶金改性技术的范畴。其特征在于是，在真空容器内，将欲渗金属源极以金属钛丝的形式插入到平板或圆桶中且钛丝与钛丝间隔8－15mm，长度为10－50mm，置于距离被渗金属工件10－28mm处，首先将氩气通入到真空容器中，在低电压作用下将欲渗金属钛丝以钛的离子、原子的形式高密度溅射出来，吸附在被轰击加热到一定温度的工件表面上，形成一定厚度的钛的渗镀扩散层。然后通入一定混合比的氩气和氮气(或氨气)在钛被溅射和扩散的同时使氮与钛元素在工件表面产生化学反应，形成TiN的晶核并长大，其TiN合金层和扩散层厚度高达10μm以上，钛和氮的成分也由高到低向内呈梯度分布，使表面TiN合金层和基体有良好的结合强度。
文档编号C23C14/06GK1673407SQ200510012419
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者徐重, 刘燕萍, 高原, 徐晋勇 申请人:太原理工大学