金属表面形成TiB₂陶瓷复合材料的方法

专利名称：金属表面形成TiB₂陶瓷复合材料的方法
金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法
技术领城
本发明涉及一种制备TiB2陶瓷复合材料的方法，具体来讲，是一种在金属表面形成TiB2 陶瓷复合材料的方法。
背景技术：
二硼化钛是硼和钛最稳定的化合物，为C32型结构，以其价键形式结合，具有六方的晶 体结构，硬度高、与铝等熔融金属不侵蚀、高温力学性能优异及高温导电性好等优点。广泛 应用于航天航空、汽车、军备、机械、石油、冶金、化工、有色金属及电子工业等领域。
现有在金属表面形成TiB2复合材料的方法有喷涂方法，如程汉池等在《金属热处理》2007 年12期上发表的"热喷涂制备TiB2涂层的研究进展"中制备的TiB2复合材料性能优异，但仍 然存在表面不致密、易剥落和耐腐蚀性差等问题。
本发明的基本思路是采用双层辉光离子渗金属技术的工作原理。此技术于1985年获美国 专利，专利号为4731539。该发明专利是利用稀薄气体Ar气中的辉光放电及溅射现象，在真 空容器中设置由欲渗合金元素组成的金属源极及放置工件的阴极，源极与阳极之间的辉光放 电使合金元素溅射出来，并吸附于被离子轰击加热至高温的工件表面，然后借助于沉积扩散 过程使工件表面形成含有欲渗合金元素的合金渗层。基于此技术原理，本发明用化合物TiB2 取代该技术中的金属材质制成源极，直接在金属表面形成由TiB2化合物层和Ti-B合金渗层构
成的陶瓷复合材料。

发明内容
本发明的目的是采用固态化合物TiB2作为源极利用等离子渗镀的方法实现直接在金属表 面形成TiB2陶瓷复合材料，以解决现有喷涂方法中制备的TiB2陶瓷复合材料存在的表面不致 密、易剥落和耐腐蚀性差的问题。
本发明实现上述目的的技术方案在于将固态化合物TiB2作为等离子渗镀Ti、B的供给源， 在金属材料表面形成由TiB2化合物层和Ti-B合金渗层构成的陶瓷复合层。其金属表面形成 TiB2陶瓷复合材料的方法的技术特征在于
1. 用二硼化钛源极对金属工件进行等离子渗镀Ti、 B，直接在工件表面形成由TiB2化合 物层和Ti-B合金渗层构成的陶瓷复合层，渗镀Ti、B时阴极与阳极间的电压为-300V -700V， 源极与阳极间的电压为-700V -1400V，加热温度为800°C 1100°C。
2. 源极是二硼化钛粉制成。3. 金属工件是具有Ti、 B固溶度的金属固体材料。
4. 金属固体材料是碳钢或合金钢。
5. 源极形状是板状、柱状或筒状。
本发明利用双层辉光离子渗金属技术的原理，用化合物TiB2取代该技术中的金属材质制 成的源极，直接在金属表面形成由TiB2化合物层和Ti-B合金渗层构成的陶瓷复合材料。这种 陶瓷复合材料层不仅具有优良的抗氧化及耐磨损性能，而且由于复合层是在高温扩散相变形 成，TiB2陶瓷层通过组织均匀致密的Ti-B渗层与基体冶金结合，表面均匀致密耐腐蚀，使用 中不会出现剥落现象。
本发明金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，与已有的"双层辉光放电离子渗金属技 术"发明专利不同之处在于"双层辉光放电离子渗金属技术"专利采用的源极只是由金属 元素材料构成，本发明采用固态的TiB2化合物构成源极；"双层辉光放电离子渗金属技术"专 利实现在钢铁表面形成单一或多元金属元素的合金渗层，本发明在不同金属材料表面形成由 TiB2化合物层和Ti-B合金渗层构成的陶瓷复合材料。
本发明具体的用途和优点还在于
1. TiB2陶瓷层具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温等优良性能，可在航空航天、军工、 核反应、原子能以及化工等领域应用。
2. 表面TiB2陶瓷层和Ti-B合金渗层复合材料既具有金属良好的物理、力学性能，又具 有TiB2陶瓷材料的优点与用途。
3. 可一次性形成表面TiB2陶瓷层和Ti-B合金渗层复合材料，TiB2陶瓷层通过Ti-B合金 渗层与金属基体结合牢固，使用时不易剥落。
4. 本发明金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，工艺过程简单，节省能源，成本低廉， 无环境污染。
具体实施例方式
下面用具体实施方式
对本发明的技术方案作出进一步的详细说明
1. 工艺设备要求
在可抽真空的容器中分别设置源极、阴极和阳极。源极由固态化合物TiB2组成，阴极放 置金属基材，阳极为炉壳。在阳极与阴极，阳极与源极之间各设置有0 1500V的可调直流电 源。
2. 源极制作
源极材料为固态二硼化钛粉，源极形状可根据需求压制成板状、柱状或筒状。
3. 基材选择与Ti、 B有一定固溶度的金属固体材料均可通过离子渗Ti、 B处理得到含Ti-B合金渗层 和二硼化钛沉积层的陶瓷复合层。通常基材选用碳钢或合金钢。 4.双层辉光等离子渗镀钛硼
处理前，将容器抽真空并使真空度达1X10—卞a后，通入氩气，接通阴极电源，加直流 电压，在阴极与阳极之间产生辉光放电，加热基材到55(TC 80(TC，并在该温度下对其表面 进行离子轰击处理。然后接通源极电源，加入直流电压，使阴极与阳极之间的电压在-300V -700V范围，源极与阳极的电压在-700V -1400V范围，利用阴极与源极之间产生空心阴极效
应，在工件温度8ocrc iioo。c下进行等离子渗镀钛硼。等离子渗镀钛硼过程中，二硼化钛
源极中的钛与硼由于氩离子的轰击被溅射出來，这些逸出源极表面的钛、硼原子高速飞向阴 极上的基材金属表面，被金属表面所吸附，并在高温下扩散进入金属表层，形成含钛，硼梯 度合金渗层。调整工艺参数使吸附钛硼的速度大于向内扩散的速度，表面逐渐形成二硼化钛 陶瓷层。最终，金属表面形成表层为二硼化钛，内部为钛、硼合金渗层的陶瓷复合材料。保 温时间1 5小时。
下面用具体实施例对本发明的具体实施方式
作出进一步的详细说明 实施例1
在12CrMoV合金钢表面形成TiB2陶瓷层和Ti-B合金渗层复合材料 将TiB2粉压制成板状后固定在源极上，12CrMoV工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并 接地。首先，抽真空至真空度1X10—卞a后，通入氩气使真空度维持在40Pa左右，接通阴极 电源，在阳极与阴极间缓慢加入直流电压，当工件温度升至600'C时，进行离子轰击30min。 然后，将阴极电压调至-450V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压 为-1000V，继续使工件升温，至95(TC温度时开始保温。保温5小时后断开源极与阴极电源， 使工件缓冷到室温。在12CrMoV钢表面形成厚度约26pm的二硼化钛陶瓷复合材料层(由厚度 约lOpm的二硼化钛层和厚度约16nm的Ti-Fe-Cr-Mo-B合金渗层构成)。 实施例2
在3Crl3钢表面形成TiB2陶瓷层和Ti-B合金渗层复合材料
将TiB2粉压制成柱状后固定在源极上，3Crl3钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。 首先，抽真空至真空度lX10-lPa后，通入氩气使真空度维持在40Pa左右，接通阴极电源， 在阳极与阴极间缓慢加入直流电压，当工件温度升至70(TC时，进行离子轰击30min。然后， 将阴极电压调至-400V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压为-900V， 继续使工件升温，至900'C温度时开始保温。保温5小时后断开源极与阴极电源，使工件缓 冷到室温。在3Crl3表面形成厚度约22nm 二硼化钛陶瓷复合材料层(由厚度约13拜的二硼化钛层和厚度约9pm的Ti-Fe-O-B合金渗层构成)。 实施例3
在20钢表面形成TiB2陶瓷层和Ti-B合金渗层复合材料
将TiB2粉压制成筒状后固定在源极上，20钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。首 先，抽真空至真空度lX10-lPa后，通入氩气使真空度维持在40Pa左右，接通阴极电源，在 阳极与阴极间缓慢加入直流电压，当工件温度升至50(TC时，进行离子轰击30min。然后，将 阴极电压调至-400V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压为-900V， 继续使工件升温，至90(TC温度时开始保温。保温3小时后断开源极与阴极电源，使工件缓 冷到室温。在20钢表面形成厚度约16iara二硼化钛陶瓷复合材料层(由厚度约8^m的二硼化 钛层和厚度约8pm的Ti-Fe-B合金渗层构成)。
权利要求
1.金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，其特征在于用二硼化钛源极对金属工件进行等离子渗镀Ti、B，直接在工件表面形成由TiB2化合物层和Ti-B合金渗层构成的陶瓷复合层，渗镀Ti、B时阴极与阳极间的电压-300V～-700V，源极与阳极间的电压-700V～-1400V，加热温度800℃～1100℃。
2. 如权利要求1所述的金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，其特征在于源极是二硼 化钛粉制成。
3. 如权利要求l所述的金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，其特征在于金属工件是 具有Ti、 B固溶度的金属固体材料。
4. 如权利要求3所述的金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，其特征在于金属固体材 料是碳钢或合金钢。
5. 如权利要求l所述的金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法，其特征在于源极形状是 板状、柱状或筒状。
全文摘要
本发明公开了一种金属表面形成TiB₂陶瓷复合材料的方法，该方法采用二硼化钛源极对金属工件进行等离子渗镀，直接在工件表面形成由TiB₂化合物层和Ti-B合金渗层构成的陶瓷复合层，渗镀Ti、B时阴极与阳极间的电压-300V～-700V，源极与阳极间的电压-700V～-1400V，加热温度800℃～1100℃。本发明工艺过程简单，节省能源，成本低廉，无环境污染，适应于航空航天、军工、核反应、原子能以及化工等领域。
文档编号C23C12/00GK101307423SQ20081005539
公开日2008年11月19日 申请日期2008年7月10日 优先权日2008年7月10日
发明者宾 唐, 姚晓红, 武晶晶, 田林海, 林 秦, 范爱兰 申请人:太原理工大学