CN102995009B - 一种激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法 - Google Patents

一种激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法 Download PDF

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Abstract

以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法,本发明涉及金属表面强化处理技术领域。在金属表面涂敷TiO2与尿素的混合粉末,在N2气体的氛围中,用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷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。

Description

一种激光叠加钨极气体保护电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℃。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(μm),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气体为组元的激光叠加钨极气体保护电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: 
在金属表面涂敷TiO2与尿素的混合粉末,在N2气体的氛围中,用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷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HV1750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,以激光叠加钨极气体保护电弧为能量源,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,对于不同的金属,本发明所述TiO2为工业纯TiO2,TiO2与尿素的混合质量比为6:4。 
在金属表面涂敷的所述TiO2与尿素的混合粉末厚度为1.5~2毫米。 
所述N2气体的流量为7~11L/min。 
在所述扫描时,激光光束垂直照射在金属表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
激光叠加钨极气体保护电弧以400~600mm/min的速度进行扫描,激光功率为100~200W,激光波长为1.06μm或10. 6μm,光斑直径为2~3毫米。 
所述钨极气体的流量为7L/min,电弧电流为20~30A。 
具体实施方式
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1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动,通以氮气,氮气流量为7L/min。 
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描,激光功率为200W,激光波长为1.06μm,光斑直径为2毫米。 
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体,流量为7L/min,电弧电流为30A。 
6、经检测结果,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。 
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1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动,通以氮气,氮气流量为7L/min。 
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描,激光功率为100W,激光波长为1.06μm,光斑直径为2毫米。 
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体,流量为7L/min,电弧电流为20A。 
6、经检测结果,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、随激光叠加钨极气体保护电弧移动,通以氮气,氮气流量为11L/min。 
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
4、激光叠加钨极气体保护电弧以600mm/min速度进行扫描,激光功率为100W,激光波长为1.06μm,光斑直径为3毫米。 
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体,流量为7L/min,电弧电流为30A。 
6、经检测结果,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、T11A、9SiCr、Cr12MoV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1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动,通以氮气,氮气流量为7L/min。 
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描,激光功率为100W,激光波长为10. 6μm,光斑直径为3毫米。 
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体,流量为7L/min,电弧电流为25A。 
6、经检测结果,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1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动,通以氮气,氮气流量为11L/min。 
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
4、激光叠加钨极气体保护电弧以500mm/min速度进行扫描,激光功率为200W,激光波长为10. 6μm,光斑直径为2毫米。 
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体,流量为7L/min,电弧电流为30A。 
6、经检测结果,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YL10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、随激光叠加钨极气体保护电弧移动,通以氮气,氮气流量为11L/min。 
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 
4、激光叠加钨极气体保护电弧以600mm/min速度进行扫描,激光功率为200W,激光波长为10. 6μm,光斑直径为3毫米。 
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体,流量为7L/min,电弧电流为35A。 
6、经检测结果,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。 

Claims (4)

1.以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法,其特征在于在金属表面涂敷TiO2与尿素的混合粉末,在N2气体的氛围中,用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷TiO2与尿素的混合粉末的金属表面进行扫描;所述TiO2为工业纯TiO2,TiO2与尿素的混合质量比为6:4;在金属表面涂敷的所述TiO2与尿素的混合粉末厚度为1.5~2毫米;激光叠加钨极气体保护电弧以400~600mm/min的速度进行扫描,激光功率为100~200W,激光波长为1.06μm或10. 6μm,光斑直径为2~3毫米。
2.根据权利要求1所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电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7~11L/min。
3.根据权利要求1所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法,其特征在于在所述扫描时,激光光束垂直照射在金属表面,钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4.根据权利要求3所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法,其特征在于所述钨极气体的流量为7L/min,电弧电流为20~30A。
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