CN1318638C - 电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法 - Google Patents

电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，即在由60-90wt%的乙醇胺和40-10wt%的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为450-650V、频率为50-500Hz、占空比为10-40%、阴阳极板间距为8-12cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在25-70℃，微弧等离子处理1-3小时，即可在钛或钛合表层生成厚度大于10μm的碳氮化钛膜。所合成的碳氮化钛厚膜与钛或钛合金之间无界面，呈微米级多孔结构，具有高的结合强度，硬度高于1500Hv，在润滑条件下其耐磨性优于物理气相沉积(PVD)和等离子增强化学气相沉积(PCVD)等技术制备的碳氮化钛膜。

Description

电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法
技术领域
本发明涉及一种合成碳氮化钛厚膜的方法，特别涉及一种用于钛和钛合金构件的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法。
背景技术
钛和钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优点，在航空航天、航海、化工、机械、冶金、医疗等领域有着重要应用。然而，钛和钛合金的硬度低、耐磨性差，严重影响了其使用性能。附着碳化钛、氮化钛或碳氮化钛一类硬质膜是提高钛和钛合金构件硬度和耐磨性的常用方法。目前，可在钛和钛合金表面形成碳化钛、氮化钛或碳氮化钛膜的技术包括：物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子增强化学气相沉积(PCVD)、离子束增强沉积(IBED)、离子注入、气体渗氮、等离子渗氮和渗碳、电火花渗碳、熔盐氮化等方法。其中，PVD、CVD、PCVD和IBED等沉积方法是在真空室中进行，因所沉积碳氮化钛一类硬质膜的内应力大，膜的厚度不能超过3-5μm，否则，膜的结合强度太低，会自动从钛和钛合金表面剥落。离子注入、气体渗氮、等离子渗氮和渗碳等方法也是在真空室中进行，所形成的碳氮化钛膜与钛和钛合金之间无界面、结合牢固，但厚度较薄(不超过3μm)。电火花渗碳亦称高能微弧火化渗碳，是一线性技术；其原理类似电焊，是利用碳棒电极在钛合金工件表面转动，接触区产生放电火化而将该区域的碳棒电极瞬间加热到8000-25000℃汽化渗入钛合金表面，形成碳化钛膜；该膜与钛合金结合牢固，但厚度低于2μm。熔盐氮化是在450℃的LiCl-KCl-KNO3熔盐中，通过低电压(1-5V)使KNO3中的氮还原成活性氮原子、并扩散入钛合金，经过4小时的处理可在钛合金表层形成厚约1μm的氮化钛膜。上述方法的共同缺点是在钛和钛合金表面形成的碳化钛、氮化钛或碳氮化钛膜厚度较薄，在较大载荷下膜层易碎而失去强化效果。大量研究表明，碳氮化钛一类硬质膜厚度的增大可显著改善碳氮化钛/钛合金构件的耐磨性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可在钛和钛合金表层合成具有牢固结合性能的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在由60-90wt％的乙醇胺和40-10wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为450-650V、频率为50-500Hz、占空比为10-40％、阴阳极板间距为8-12cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在25-70℃，微弧等离子处理1-3小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于10μm的碳氮化钛膜。
本发明是在低温碳氮化合物有机电解液中，利用高电压微弧放电激活钛或钛合金试件表面的碳氮化合物，产生碳、氮等离子体，以合成碳氮化钛厚膜。所合成的碳氮化钛膜的厚度远大于现有技术制备的碳氮化钛膜。该厚膜呈微米级多孔结构，与钛和钛合金之间无界面，具有高的结合强度，硬度高于1500Hv，在润滑条件下其耐磨性优于PVD和PCVD等技术制备的碳氮化钛膜。
具体实施方式
实施例1：在由60wt％的乙醇胺和40wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为450V、频率为100Hz、占空比为10％、阴阳极板间距为8cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在45℃，微弧等离子处理1小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于10μm的碳氮化钛膜。
实施例2：在由70wt％的乙醇胺和30wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为500V、频率为50Hz、占空比为20％、阴阳极板间距为10cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在25℃，微弧等离子处理1.5小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于12μm的碳氮化钛膜。
实施例3：在由80wt％的乙醇胺和20wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为480V、频率为200Hz、占空比为16％、阴阳极板间距为12cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在50℃，微弧等离子处理2小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于15μm的碳氮化钛膜。
实施例4：在由75wt％的乙醇胺和25wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为550V、频率为300Hz、占空比为28％、阴阳极板间距为9cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在75℃，微弧等离子处理2.5小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于19μm的碳氮化钛膜。
实施例5：在由90wt％的乙醇胺和10wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为600V、频率为500Hz、占空比为40％、阴阳极板间距为11cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在70℃，微弧等离子处理3小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于22μm的碳氮化钛膜。
实施例6：在由85wt％的乙醇胺和15wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为650V、频率为400Hz、占空比为35％、阴阳极板间距为10cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在62℃，微弧等离子处理2小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于18μm的碳氮化钛膜。
本发明合成的碳氮化钛膜的厚度远大于现有技术制备的碳氮化钛膜。该厚膜呈微米级多孔结构，与钛和钛合金之间无界面，具有高的结合强度，硬度高于1500Hv，在润滑条件下其耐磨性优于PVD和PCVD等技术制备的碳氮化钛膜。

Claims (7)

1、电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由60-90wt％的乙醇胺和40-10wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为450-650V、频率为50-500Hz、占空比为10-40％、阴阳极板间距为8-12cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在25-70℃，微弧等离子处理时间为1-3小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于10μm的碳氮化钛膜。
2、根据权利要求1所述的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由60wt％的乙醇胺和40wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为450V、频率为100Hz、占空比为10％、阴阳极板间距为8cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在45℃，微弧等离子处理1小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于10μm的碳氮化钛膜。
3、根据权利要求1所述的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由70wt％的乙醇胺和30wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为500V、频率为50Hz、占空比为20％、阴阳极板间距为10cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在25℃，微弧等离子处理1.5小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于12μm的碳氮化钛膜。
4、根据权利要求1所述的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由80wt％的乙醇胺和20wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为480V、频率为200Hz、占空比为16％、阴阳极板间距为12cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在50℃，微弧等离子处理2小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于15μm的碳氮化钛膜。
5、根据权利要求1所述的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由75wt％的乙醇胺和25wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为550V、频率为300Hz、占空比为28％、阴阳极板间距为9cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在75℃，微弧等离子处理2.5小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于19μm的碳氮化钛膜。
6、根据权利要求1所述的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由90wt％的乙醇胺和10wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为600V、频率为500Hz、占空比为40％、阴阳极板间距为11cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在70℃，微弧等离子处理3小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于22μm的碳氮化钛膜。
7、根据权利要求1所述的电解液微弧等离子合成碳氮化钛厚膜的方法，其特征在于：在由85wt％的乙醇胺和15wt％的甲酰胺配制的电解液中，以钛或钛合金为阴极、不锈钢为阳极，采用脉冲电源在电压为650V、频率为400Hz、占空比为35％、阴阳极板间距为10cm的条件下对钛或钛合金进行微弧等离子处理，维持电解液温度在62℃，微弧等离子处理2小时，即可在钛或钛合金表层生成厚度大于18μm的碳氮化钛膜。
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Assignee: Linyi Kechuang Material Co. Ltd.

Assignor: Xi'an Jiaotong University

Contract record no.: 2011370000197

Denomination of invention: Method of synthesizing titanium carbon nitride thick film by using electrolytic bath micro arc plasma

Granted publication date: 20070530

License type: Exclusive License

Open date: 20050810

Record date: 20110511

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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20070530

Termination date: 20131129