CN100575535C - 金属表面形成TiB2陶瓷复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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℃～1100℃。

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1×10^-1Pa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550℃～800℃，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800℃～1100℃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来，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1×10^-1Pa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℃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950℃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26μm的二硼化钛陶瓷复合材料层(由厚度约10μm的二硼化钛层和厚度约16μm的Ti-Fe-Cr-Mo-B合金渗层构成)。

实施例2

在3Cr13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，3Cr13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1×10-1Pa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700℃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℃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3Cr13表面形成厚度约22μm二硼化钛陶瓷复合材料层(由厚度约13μm的二硼化钛层和厚度约9μm的Ti-Fe-Cr-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1×10-1Pa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500℃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℃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16μm二硼化钛陶瓷复合材料层(由厚度约8μm的二硼化钛层和厚度约8μm的Ti-Fe-B合金渗层构成)。

Claims (5)

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，其特征在于源极形状是板状、柱状或筒状。