CN103233219B - 一种制备金属TiN陶瓷涂层的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明采用高能微弧合金化技术和辉光离子渗氮技术相结合的方法，在金属表面制备TiN涂层，首先通过高能微弧合金化技术在金属表面沉积一层纯Ti涂层，制备过程中选用一定规格的纯Ti作为沉积电极，通过控制制备过程中关键技术参数，可以实现纯钛层厚度可变；然后将沉积好的纯钛层通过辉光离子渗氮技术进行渗氮处理形成TiN层，处理过程中，炉体作为阳极，钛层作为阴极，通入氨气或者氢气与氮气的混合气体，辉光放电产生的氮离子、氮原子很容易被微晶化的Ti层吸附渗透，在微晶化的Ti层表面形成TiN涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属表面的改性工艺，特别涉及一种金属表面涂层的制备方法。
背景技术
当前对金属材料进行表面改性，在其表面施加涂层来提高其使用性能是研究的热点。其中金属陶瓷涂层以其优异的耐磨蚀、高温抗氧化、低的热胀系数、高硬度高、耐磨性和导热系数表现出较高的工程应用价值。TiN涂层是传统的金属陶瓷涂层，外观表现为金黄色，具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、熔点高和导电性能优异等特点。可以应用于金属表面的防护，增加金属的表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。传统的TiN涂层制备方法，往往需要预先合成TiN，再将TiN于金属基材表面上进行涂层。而在合成TiN的操作中，氮元素渗入到纯Ti中的渗入效果，往往是不理想的，这些方法得到的涂层与基体的结合差，有明显的界面，而且制备时间长、工艺复杂、成本高。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：现有技术中，制备金属基材表面TiN涂层的操作中，往往需要预先合成TiN，再将TiN于金属基材表面上进行涂层，而在合成TiN的操作中，氮元素渗入到纯Ti中的渗入效果，往往是不理想的。
为解决这一技术问题，本发明提供的技术方案是：
本发明提供了一种制备金属表面TiN涂层的方法，该方法为，首先通过高能微弧合金化技术在金属表面沉积一层纯Ti涂层，然后将沉积好的纯钛层，通过辉光离子渗氮技术进行渗氮处理，形成TiN层。
上述制备方法的具体步骤为：
（1）Ti电极圆棒的前处理，将Ti电极圆棒经丙酮超声清洗除油、乙醇去水、蒸馏水清洗后晾干，
Ti电极圆棒直径为0.5-5mm，纯度大于99.9wt%；
（2）基体金属材料的前处理，将切割好的基体金属材料，经400、800、1000#的砂纸逐级打磨至表面光亮后，用丙酮超声清洗除油、乙醇去水、蒸馏水清洗，最后晾干，
其中，基体金属选自不锈钢或钛合金，这些材料，本身具有良好的机械性能，是相关领域中常用的材料；
（3）高能微弧合金化处理，将步骤（1）中得到的Ti电极圆棒作为沉积电极，在金属基材表面进行高能微弧合金化操作，电源选择单向脉冲交流电源，沉积电压为40-100V可调，频率为200-600Hz，电流脉宽为100-500μs，输出功率为200-3000W，采用氩气保护，沉积电极不断旋转震动，电极旋转速度为800r/min-4500r/min，通过控制沉积时间，可以实现Ti涂层厚度可调，
采用氩气保护时，氩气的气体流量为5-30L/min，
流量太小，起不到保护作用，流量太大，则会增加设备的负担，
本步骤是利用电源储存的能量通过短时、高电流脉冲将电极材料熔化并沉积到金属基体上，在涂层形成过程中高电流脉冲将电极材料熔化，并与基体形成冶金结合；
（4）辉光离子渗氮处理，将步骤（3）中得到的Ti涂层放入渗氮炉中，炉体作为阳极，Ti涂层作为阴极，通入氨气或者氢气与氮气的混合气体，压力为400-1200Pa，渗氮温度为450-900℃，渗氮时间为3-10小时，生成TiN涂层，
氢气与氮气的混合气体中，氢气与氮气的体积比为3:1，
在渗氮处理过程中，炉体作为阳极，钛层作为阴极，辉光放电产生的氮离子、氮原子在金属表面的Ti涂层中吸附扩散，很容易被微晶化的Ti层吸附渗透，在金属表面生成一层TiN涂层。
本发明的有益效果是：本发明制备金属TiN陶瓷涂层，操作工艺简单、成本低廉。本发明的制备工艺中，不需要预先合成TiN，而是通过高能微弧合金化工艺，利用高电流脉冲将电极材料熔化，于金属基材表面沉积一层纯Ti涂层，使之与基体形成冶金结合，沉积后的Ti涂层一般具有微晶化或纳米晶结构，这样有利于氮元素能够更均匀，更充分地渗入到Ti涂层中，从而保证了TiN涂层的使用性能。
具体实施方式
实施例1：
（1）将直径为5mm，纯度大于99.9wt%的Ti电极圆棒放入丙酮超声清洗除油，再乙醇去水，最后用蒸馏水清洗并晾干；
（2）选择不锈钢作为基体材料，将其切割成7mm×10mm×3mm形状，并依次用400#、800#、1000#SiC砂纸逐级进行打磨至表面光亮后，用乙醇去水，丙酮除油后，用蒸馏水冲洗干净并干燥；
（3）采用高能微弧合金化沉积技术，调整设备工艺参数为：设置沉积电压为80V，频率为600Hz，脉宽为200μs，电极旋转速度为1500r/min，氩气流量为8L/min，沉积时间为8min。即可在不锈钢表面生成厚度为16μm的Ti涂层，钛涂层表面光亮，均匀致密。
（4）再把已经沉积Ti涂层的不锈钢，放入武汉辉光等离子热处理设备有限公司生产的，型号为MC-55AQK的渗氮炉中，进行辉光离子渗氮，选择气体为氨气，压力为400Pa，渗氮温度为450℃，渗氮时间为4h。待渗氮结束后取出样品，在不锈钢表面形成了TiN涂层。
经测试，涂层硬度高于60HRC，涂层的致密性好，因为陶瓷涂层本身耐蚀，因此腐蚀性能较好；另外与基体为冶金结合，因为沉积过程中是熔合方式，所以结合力好。
实施例2：
步骤（1）与步骤（2）的操作方法如实施例1所示，
（3）采用高能微弧合金化沉积技术，调整设备工艺参数为：设置沉积电压为90V，频率为400Hz，脉宽为150μs，电极旋转速度为1000r/min，氩气流量为5L/min，沉积时间为6min。即可在不锈钢表面生成厚度为13μm的Ti涂层，钛涂层表面光亮，均匀致密；
（4）再把已经沉积Ti涂层的不锈钢，放入武汉辉光等离子热处理设备有限公司生产的，型号为MC-55AQK的渗氮炉中，进行辉光离子渗氮，选择气体为氢气与氮气的混合气体（氢氮体积比为3:1），压力为600Pa，渗氮温度为550℃，渗氮时间为8h。待渗氮结束后取出样品，在不锈钢表面形成了TiN涂层。
经测试，涂层硬度高于60HRC，涂层的致密性好，因为陶瓷涂层本身耐蚀，因此腐蚀性能较好；另外与基体为冶金结合，因为沉积过程中是熔合方式，所以结合力好。
实施例3：
选择TC4钛合金作为基体材料，步骤（1）与步骤（2）的操作方法如实施例1所示，
（3）采用高能微弧合金化沉积技术，调整设备工艺参数为：设置沉积电压为70V，频率为500Hz，脉宽为300μs，电极旋转速度为1200r/min，氩气流量为10L/min，沉积时间为5min。即可在TC4钛合金表面生成厚度为11μm的Ti涂层，钛涂层表面光亮，均匀致密；
（4）再把已经沉积Ti涂层的TC4钛合金，放入武汉辉光等离子热处理设备有限公司生产的，型号为MC-55AQK的渗氮炉中，进行辉光离子渗氮，选择气体为氨气，压力为1100Pa，渗氮温度为900℃，渗氮时间为3h。待渗氮结束后取出样品，在TC4钛合金表面形成了TiN涂层。
经测试，涂层硬度高于60HRC，涂层的致密性好，因为陶瓷涂层本身耐蚀，因此腐蚀性能较好；另外与基体为冶金结合，因为沉积过程中是熔合方式，所以结合力好。
实施例4：
选择TC4钛合金作为基体材料，步骤（1）与步骤（2）的操作方法如实施例1所示，
（3）采用高能微弧合金化沉积技术，调整设备工艺参数为：设置沉积电压为100V，频率为300Hz，脉宽为400μs，电极旋转速度为1300r/min，氩气流量为8L/min，沉积时间为12min。即可在TC4钛合金表面生成厚度为22μm的Ti涂层，钛涂层表面光亮，均匀致密；
（4）再把已经沉积Ti涂层的TC4钛合金，放入武汉辉光等离子热处理设备有限公司生产的，型号为MC-55AQK的渗氮炉中，进行辉光离子渗氮，选择气体为氢气与氮气的混合气体（氢氮体积比为3:1），压力为1200Pa，渗氮温度为800℃，渗氮时间为6h。待渗氮结束后取出样品，在TC4钛合金表面形成了TiN涂层。
经测试，涂层硬度高于60HRC，涂层的致密性好，因为陶瓷涂层本身耐蚀，因此腐蚀性能较好；另外与基体为冶金结合，因为沉积过程中是熔合方式，所以结合力好。
Claims (5)
1.一种制备金属表面TiN涂层的方法，其特征在于：所述的方法为，首先通过高能微弧合金化技术在金属表面沉积一层纯Ti涂层，然后将沉积好的纯钛层，通过辉光离子渗氮技术进行渗氮处理，形成TiN层，
所述的方法的具体步骤为，
(1)Ti电极圆棒的前处理，将Ti电极圆棒经丙酮超声清洗除油、乙醇去水、蒸馏水清洗后晾干；
(2)基体金属材料的前处理，将切割好的基体金属材料，经400、800、1000#的砂纸逐级打磨至表面光亮后，用丙酮超声清洗除油、乙醇去水、蒸馏水清洗，最后晾干；
(3)高能微弧合金化处理，将步骤(1)中得到的Ti电极圆棒作为沉积电极，在金属基材表面进行高能微弧合金化操作，电源选择单向脉冲交流电源，沉积电压为40-100V可调，频率为200-600Hz，电流脉宽为100-500μs，输出功率为200-3000W，采用氩气保护，沉积电极不断旋转震动，电极旋转速度为800r/min-4500r/min，通过控制沉积时间，可以实现Ti涂层厚度可调；
(4)辉光离子渗氮处理，将步骤(3)中得到的Ti涂层放入渗氮炉中，炉体作为阳极，Ti涂层作为阴极，通入氨气或者氢气与氮气的混合气体，压力为400-1200Pa，渗氮温度为450-900℃，渗氮时间为3-10小时，生成TiN涂层。
2.如权利要求1所述的制备金属表面TiN涂层的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的Ti电极圆棒直径为0.5-5mm，纯度大于99.9wt％。
3.如权利要求1所述的制备金属表面TiN涂层的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的基体金属选自不锈钢或钛合金。
4.如权利要求1所述的制备金属表面TiN涂层的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的氩气保护中，气体流量为5-30L/min。
5.如权利要求1所述的制备金属表面TiN涂层的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的氢气与氮气的混合气体中，氢气与氮气的体积比为3:1。
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