以TiO₂、尿素和N₂气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法

专利名称：以TiO₂ 、尿素和N₂ 气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法
技术领域：
本发明涉及金属表面强化处理技术领域。
背景技术：
氮化钛(TiN)是一种非计量化合物，同时具有金属晶体和共价晶体的特点，熔点高达2955°C。作为表面涂层，TiN具有高硬度、耐磨损、耐高温、抗热震、摩擦系数低等优良的综合力学性能，是目前研究和应用最为广泛的薄膜材料之一。TiN作为涂层成功地应用于刀具、钻头等工具上，被认为是金属切削刀具技术发展史上的一次革命。TiN涂层的制备技术目前主要是物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。PVD法形成温度较低、涂层较薄，与基体的结合强度低，涂层易于从基底剥落，且绕镀性较差。CVD法沉积温度高，但超过了绝大多数常用刀具材料的热处理温度，因而可用来进行镀层的刀具材料种类极为有限；其次，CVD以氯化物为原料，需要一套提供制备含Ti卤化物气体的设备，工艺复杂，成本较高，与目前提倡的绿色工业相抵触。不论是PVD法还是CVD法，所获得的TiN涂层都较薄，厚度只有几个微米(μ m)，并且涂层与基体是机械结合，结合面强度低，使用中涂层易发生剥落。

发明内容
本发明的目的旨在提供一种以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，可以使金属表面层原位复合生成TiN，从而对金属表面进行强化与提高耐磨性。本发明是通过以下技术方案实现的
在金属表面敷以TiO2与尿素的混合粉末，在N2气体氛围下，用等离子弧在敷TiO2与尿素的混合粉末的金属表面进行扫描。通过以上方法可以在金属表层原位复合生成TiN，实现对金属表面的强化与提高耐磨性。本发明具有以下优点
1、TiN是在金属表层原位复合生成，而不是在表面沉积，因此不存在涂层与基体的结合力问题；
2、原位复合有TiN的金属表层厚度可达500至600微米，显微硬度可达HV1700至HV1800以上，因此即使表面在使用过程中有微磨损，仍然具有很好的硬度和耐磨性；
3、反应组元为TiO2、尿素和N2气体，以等离子弧为能量源，不会对环境造成任何污染，是一种环保的金属表面强化与耐磨方法。另，本发明所述TiO2为工业纯TiO2, TiO2与尿素的混合质量比为6:4。所述金属表面涂敷的TiO2与尿素的混合粉末厚度为I. 5 2毫米。所述N2气体的流量为7 llL/min。
所述等离子弧的扫描速度为400 600mm/min，等离子弧的电流为30 60A.
所述等离子弧的流量为14 18 L/min。
具体实施例方式一、对Q235A、20钢、40钢、45钢、20G、20Mn、40Mn和60Mn碳素结构钢分别进行表面
处理
1、在碳素结构钢表面敷以工业纯TiO2与尿素((NH2)2CO)混合粉末，其质量比为6:4，厚度为I. 5毫米；
2、随等离子弧移动,通以氮气,氮气流量为7L/min; 3、等离子弧以400mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为45A;等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为16 L/min。4、检测结果
在碳素结构钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiN层，显微硬度可达HV1700。二、对20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金结构钢分别进行表面处理
1、在合金结构钢表面敷以工业纯TiO2与尿素((NH2)2CO)混合粉末，其质量比为6:4，厚度为I. 5毫米；
2、随等离子弧移动,通以氮气,氮气流量为7L/min;
3、等离子弧以400mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为30A;等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为14 L/min。4、检测结果
在合金结构钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiN层，显微硬度可达HV1750。三、对65Mn、60Si2Mn和50CrVA弹簧钢分别进行表面处理
1、在弹簧钢表面敷以工业纯TiO2与尿素((NH2)2CO)混合粉末，其质量比为6:4，厚度为2毫米；
2、随等离子弧移动,通以氮气,氮气流量为IlL/min;
3、等离子弧以600mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为40A;等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为16 L/min。4、检测结果
在弹簧钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiN层，显微硬度可达HV1800。四、对T8A、T9A、T10A、TllA、9SiCr、Crl2MoV 和 3Cr2Mo 工具钢分别进行表面处理
1、在工具钢表面敷以工业纯TiO2与尿素((NH2)2CO)混合粉末，其质量比为6:4，厚度为
I.5毫米；
2、随等离子弧移动,通以氮气,氮气流量为7L/min;
3、等离子弧以400mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为50A;等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为17 L/min。4、检测结果
在工具钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiN层，显微硬度可达HV1800。五、对W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Al高速钢分别进行表面处理1、在高速钢表面敷以工业纯TiO2与尿素((NH2)2CO)混合粉末，其质量比为6:4，厚度为I. 5毫米；
2、随等离子弧移动,通以氮气,氮气流量为IlL/min;
3、等离子弧以500mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为55A;等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为18L/min。4、检测结果
在高速钢表层原位复合生成厚度可达600微米的TiN层，显微硬度可达HV1800。六、对YG3X、YG6X、YK15、YG20、YT15、YS25、YW1、YW2 和 YLlO 硬质合金分别进行表 面处理
1、在硬质合金表面敷以工业纯TiO2与尿素((NH2)2CO)混合粉末，其质量比为6:4，厚度为2毫米；
2、随等离子弧移动,通以氮气,氮气流量为IlL/min;
3、等离子弧以600mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为60A;等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为18 L/min。4、检测结果
在硬质合金表层原位复合生成厚度可达600微米的TiN层，显微硬度可达HV1800。
权利要求
1.以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于在金属表面敷以TiO2与尿素的混合粉末，在N2气体氛围下，用等离子弧在敷TiO2与尿素的混合粉末的金属表面进行扫描。
2.根据权利要求I所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述TiO2为工业纯TiO2, TiO2与尿素的混合质量比为6:4。
3.根据权利要求I或2所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述金属表面涂敷的TiO2与尿素的混合粉末厚度为I. 5 2毫米。
4.根据权利要求I所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述N2气体的流量为7 llL/min。
5.根据权利要求I所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述等离子弧的扫描速度为400 600mm/min，等离子弧的电流为30 60A。
6.根据权利要求I所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述等离子弧的流量为14 18 L/min。
全文摘要
以TiO2、尿素和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法，涉及金属表面强化处理技术领域。在金属表面敷以TiO2与尿素的混合粉末，在N2气体氛围下，用等离子弧在敷TiO2与尿素的混合粉末的金属表面进行扫描。通过以上方法可以在金属表层原位复合生成TiN，实现对金属表面的强化与提高耐磨性。
文档编号C23C24/08GK102978605SQ20121056511
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者王辉, 左健民, 肖圣亮, 张荣荣, 童涵 申请人:常州大学