專利名稱：一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝，屬于金屬材料表面冶金改性技術(shù)的范疇。
背景技術(shù)：
Ti和N組成的化合物TiN1-x可以在很寬的組成范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，其中F.C.C結(jié)構(gòu)的TiN因具有高硬度、低的摩擦系數(shù)、高粘著強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好、漂亮的金黃色、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性與鋼鐵材料的熱膨脹系數(shù)相近等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、交通、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。特別是被用作高質(zhì)量的切割工具，抗磨粒、磨蝕和磨損部件的表面工程材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前制備TiN的主要方法是化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子增強(qiáng)(PCVD)、離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)(IBED)、多弧離子鍍等。因化學(xué)氣相沉積需要一套提供制備含鈦鹵化物氣體的設(shè)備，工藝復(fù)雜，成本較高，且CVD工藝也有其先天性的缺陷，一是薄膜內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用中易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；二是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染，鹵化物氣體不僅對(duì)設(shè)備有腐蝕作用而且對(duì)環(huán)境影響較大，與目前所提倡的綠色工業(yè)相抵觸，因此九十年代中期后CVD技術(shù)的發(fā)展受到了一定的制約；采用一般的PVD沉積方法制得的TiN涂層，與CVD法相比，PVD法形成的涂層較薄，一般在1～3μm，與基體的粘著牢度稍低，且繞鍍性較差，由于結(jié)合強(qiáng)度較低，易于從基底剝落，影響了零件的使用壽命；其它技術(shù)設(shè)備價(jià)格昂貴、成本高，并且大多形成的是鍍層，在使用中也受到一定的限制。
雙層輝光等離子滲金屬技術(shù)是由我國大陸學(xué)者發(fā)明的并于1985年5月8日獲得美國專利，專利號(hào)為4731539。利用該技術(shù)已成功在基體表面形成Ni，Cr，W，Mo單元滲及Ni-Cr，W-Mo，Ni-Cr-Mo-Nb等多元滲，該技術(shù)的最顯著的特點(diǎn)是能夠在基體表面形成所需厚度的結(jié)合強(qiáng)度極佳的滲鍍擴(kuò)散層。且具有節(jié)約貴金屬，節(jié)省能源、無公害，并可大面積處理及表面合金成分可控等顯著優(yōu)點(diǎn)屬于綠色技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝其目的在于，公開一種采用輝光離子滲金屬技術(shù)實(shí)施Ti-N共滲形成TiN復(fù)合滲鍍擴(kuò)散陶瓷層的工藝方法，它是在雙層輝光離子滲金屬技術(shù)基礎(chǔ)上將欲滲鍍金屬鈦以鈦絲方式插入平板或圓桶中，在低電壓下利用針狀鈦絲的空心陰極效應(yīng)和鈦絲表面的尖端放電效應(yīng)和工件與針狀鈦絲之間的空心陰極效應(yīng)，將鈦原子、離子及粒子以高密度形式濺射出來，在僅通入氬氣的真空容器中，使工件表面滲入合金元素鈦，形成合金擴(kuò)散層，然后通入一定混合比的氬氣和氮?dú)?或氨氣)，在這樣的放電空間中使工件一方面不斷有鈦元素的吸附和擴(kuò)散，另一方面鈦元素與氮元素在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成TiN的晶核并長大。
本發(fā)明一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝其特征在于，是一種用輝光等離子技術(shù)實(shí)施Ti-N共滲形成TiN復(fù)合擴(kuò)散滲鍍陶瓷合金層的工藝方法，其步驟為I.裝置的設(shè)置是在真空容器(1)內(nèi)，設(shè)置欲滲金屬源極(2)，被滲金屬工件(3)，墊片(4)，同時(shí)配有抽氣系統(tǒng)(5)、(6)，供氣系統(tǒng)(7)、(8)和電源控制系統(tǒng)(9)、(10)，其特征在于是將真空容器(1)的爐殼作為陽極并接地；欲滲金屬源極(2)做成平板狀或圓桶狀并將金屬鈦以φ3-10的絲狀形式插入到平板或圓桶中且鈦絲與鈦絲之間間隔8-15mm，長度為10-50mm；被滲金屬工件(3)作為陰極位于欲滲金屬源極(2)的下方10-28mm處；起連通或隔離欲滲金屬源極(2)與被滲金屬工件(3)且便于實(shí)施等電位和不等電位的電源控制，還可起到真空容器(1)內(nèi)氣氛的流通作用的墊片(4)由金屬材料或非金屬陶瓷材料制作；II.具體的工藝第一步.把真空容器(1)，由機(jī)械泵抽氣系統(tǒng)(5)抽到1Pa，再用分子泵抽氣系統(tǒng)(6)抽到5.0×10-3Pa真空度后，由供氣系統(tǒng)(7)提供200ml/min的氬氣，在陽極(1)和源極(2)工件極(3)加入可調(diào)直流電源(9)、(10)，電壓在100-700V，使其產(chǎn)生輝光放電，開始使用低電流0.1-1A高電壓600V以上進(jìn)行2min-10min的清理工件，將電壓調(diào)到100-700V范圍，利用空心陰極和尖端放電效應(yīng)使被滲金屬工件升溫到800-1300℃使濺射出來的鈦以原子、離子、粒子的形式吸附到被滲金屬工件上，保溫1-6h，鈦的滲鍍擴(kuò)散層達(dá)到10-80μm；第二步.供給氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚?，分壓?0Pa-50Pa，在真空容器(1)和金屬源極(2)被滲金屬工件(3)加入可調(diào)直流電源(9)、(10)，金屬源極(2)和被滲金屬工件(3)電壓控制在100-700V，工件溫度達(dá)到800-1300℃，濺射出來的鈦原子、離子，離解后的氮原子、離子在工件負(fù)偏壓的作用下快速到達(dá)工件表面，其中一部分氮的原子和離子參于陰極的轟擊和濺射，一部分氮原子和離子與工件表面的鈦原子形成TiN，一部分則吸附于工件表面向內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)?shù)訑U(kuò)散進(jìn)入滲鈦層時(shí)，立即與鈦原子形成TiN化合物，TiN沉積擴(kuò)散層達(dá)到8-30μm。
上述的合成TiN時(shí)通入的氬氣、氮?dú)獾幕旌蠚怏w的比例為100∶3、100∶6、100∶9，100∶12。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及用途在于將欲滲金屬源極以金屬鈦絲的形式插入到平板或圓桶中使欲滲金屬源極和陰極有機(jī)結(jié)合，形成的組織為TiN+含有TiN的固溶體+基體組織。使得基體與表面的組織成為連續(xù)的TiN擴(kuò)散層，表面硬度高，為TiN結(jié)構(gòu)，向內(nèi)逐步降低。其TiN合金層和擴(kuò)散層厚度高達(dá)10μm以上，表面含鈦和氮的成分也高向內(nèi)呈梯度分布。實(shí)現(xiàn)了Ti-N共滲形成TiN復(fù)合擴(kuò)散滲鍍陶瓷合金層。
四

附圖1為本發(fā)明的實(shí)施裝置示意中標(biāo)號(hào)為1.真空容器 2.金屬源極 3.被滲金屬工件 4.墊片 5.機(jī)械泵抽氣系統(tǒng) 6.分子泵抽氣系統(tǒng) 7.氬氣供氣源 8.氮?dú)夤庠?.工件電源 10.金屬源極電源五具體實(shí)施方式
實(shí)施方式1將欲滲的金屬鈦以鈦絲的形式插入到金屬源極2上端平板上或四周圓桶上，被滲金屬工件3放置在陰極上，陽極接在真空容器爐殼上并接地。把真空容器1先由機(jī)械泵抽氣系統(tǒng)5抽到1Pa，再用分子泵抽氣系統(tǒng)6抽到5.0×10-3Pa真空度后，以50ml/min流量通入氬氣到8Pa，使用低電流高電壓600V以上進(jìn)行2min-10min的清理工件表面，通入氬氣到20Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓200V，使被滲金屬工件升溫到800℃濺射出來的鈦以原子、離子、粒子的形式吸附到被滲金屬工件上，保溫3小時(shí)，使被滲金屬工件3由表及里固溶擴(kuò)散10μm的鈦滲鍍擴(kuò)散層。然后按100∶3的比例通入反應(yīng)氣體氮?dú)?，氣壓?0Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓200V，被滲金屬工件溫度達(dá)到800℃，保溫3小時(shí)，由于氮原子的原子半徑小，在金屬中是間隙擴(kuò)散，所以擴(kuò)散速度較金屬原子快。并且氮原子與鈦原子之間有較強(qiáng)的結(jié)合能，從而使得在一定時(shí)間內(nèi)滲鈦合金化層成為TiN固溶體擴(kuò)散層，反應(yīng)滲鍍TiN為8μm，表層硬度為1800 Hv0.1。
實(shí)施方式2工藝過程與實(shí)施方式1基本相同，工藝參數(shù)變化如下滲鍍鈦時(shí)氬氣通到30Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓350V，被滲金屬工件溫度920℃，保溫3小時(shí)，鈦滲鍍擴(kuò)散層12μm；形成TiN復(fù)合滲鍍層時(shí)，氬氣與氮?dú)獾牧髁勘葹?00∶6，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓350V，氣壓35Pa，被滲金屬工件溫度920℃，保溫2小時(shí)，TiN復(fù)合滲鍍層為12μm，表層硬度為2200Hv0.1。
實(shí)施方式3工藝過程與實(shí)施方式1基本相同，工藝參數(shù)變化如下滲鍍鈦時(shí)氬氣通到40Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓500V，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫2小時(shí)，鈦滲鍍擴(kuò)散層13μm；形成TiN復(fù)合滲鍍層時(shí)，氬氣與氮?dú)獾牧髁勘葹?00∶9，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓500V，氣壓45Pa，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫3小時(shí)，TiN復(fù)合滲鍍層為20μm，表層硬度為2400Hv0.1。
實(shí)施方式4工藝過程與實(shí)施方式1基本相同，工藝參數(shù)變化如下滲鍍鈦時(shí)氬氣通到50Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓650V電流，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫1小時(shí)，鈦滲鍍擴(kuò)散層15μm；形成TiN復(fù)合滲鍍層時(shí)，氬氣與氮?dú)獾牧髁勘葹?00∶12，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓650V，氣壓50Pa，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫1小時(shí)，TiN復(fù)合滲鍍層為13μm，表層硬度為2000Hv0.1。
實(shí)施方式5工藝過程與實(shí)施方式1基本相同，工藝參數(shù)變化如下滲鍍鈦時(shí)氬氣通到40Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓500V，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫4小時(shí)，鈦滲鍍擴(kuò)散層35μm；形成TiN復(fù)合滲鍍層時(shí)，氬氣與氮?dú)獾牧髁勘葹?00∶9，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓500V，氣壓45Pa，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫4小時(shí)，TiN復(fù)合滲鍍層為25μm，表層硬度為2800Hv0.1。
實(shí)施方式6工藝過程與實(shí)施方式1基本相同，工藝參數(shù)變化如下滲鍍鈦時(shí)氬氣通到50Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓650V，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫6小時(shí)，鈦滲鍍擴(kuò)散層80μm；形成TiN復(fù)合滲鍍層時(shí)，氬氣與氮?dú)獾牧髁勘葹?00∶12，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓650V，氣壓50Pa，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫3小時(shí)，TiN復(fù)合滲鍍層為30μm，表層硬度為3200Hv0.1。
權(quán)利要求
1.一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝其特征在于，是一種用輝光等離子技術(shù)實(shí)施Ti-N共滲形成TiN復(fù)合擴(kuò)散滲鍍陶瓷合金層的工藝方法，其步驟為I.裝置的設(shè)置是在真空容器(1)內(nèi)，設(shè)置欲滲金屬源極(2)，被滲金屬工件(3)，墊片(4)，同時(shí)配有抽氣系統(tǒng)(5)、(6)，供氣系統(tǒng)(7)、(8)和電源控制系統(tǒng)(9)、(10)，其特征在于是將真空容器(1)的爐殼作為陽極并接地；欲滲金屬源極(2)做成平板狀或圓桶狀并將金屬鈦以φ3-10的絲狀形式插入到平板或圓桶中且鈦絲與鈦絲之間間隔8-15mm，長度為10-50mm；被滲金屬工件(3)作為陰極位于欲滲金屬源極(2)的下方10-28mm處；起連通或隔離欲滲金屬源極(2)與被滲金屬工件(3)且便于實(shí)施等電位和不等電位的電源控制，還可起到真空容器(1)內(nèi)氣氛的流通作用的墊片(4)由金屬材料或非金屬陶瓷材料制作；II.具體的工藝第一步.把真空容器(1)，由機(jī)械泵抽氣系統(tǒng)(5)抽到1Pa，再用分子泵抽氣系統(tǒng)(6)抽到5.0×10-3Pa真空度后，由供氣系統(tǒng)(7)提供200ml/min的氬氣，在陽極(1)和源極(2)工件極(3)加入可調(diào)直流電源(9)、(10)，電壓在100-700V，使其產(chǎn)生輝光放電，開始使用低電流0.1-1A高電壓600V以上進(jìn)行2min-10min的清理工件，將電壓調(diào)到100-700V范圍，利用空芯陰極和尖端放電效應(yīng)使被滲金屬工件升溫到800-1300℃使濺射出來的鈦以原子、離子、粒子的形式吸附到被滲金屬工件上，保溫1-6h，鈦的滲鍍擴(kuò)散層達(dá)到10-80μm；第二步.供給氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚?，分壓?0Pa-50Pa，在真空容器(1)和金屬源極(2)被滲金屬工件(3)加入可調(diào)直流電源(9)、(10)，金屬源極(2)和被滲金屬工件(3)電壓控制在100-700V，工件溫度達(dá)到800-1300℃，濺射出來的鈦原子、離子，離解后的氮原子、離子在工件負(fù)偏壓的作用下快速到達(dá)工件表面，其中一部分氮的原子和離子參于陰極的轟擊和濺射，一部分氮原子和離子與工件表面的鈦原子形成TiN，一部分則吸附于工件表面向內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)?shù)訑U(kuò)散進(jìn)入滲鈦層時(shí)，立即與鈦原子形成TiN化合物，TiN沉積擴(kuò)散層達(dá)到8-30μm。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝，其特征在于所述的合成TiN時(shí)通入的氬氣、氮?dú)獾幕旌蠚怏w的比例為100∶3、100∶6、100∶9，100∶12。
全文摘要
一種制備氮化鈦復(fù)合陶瓷的工藝屬于金屬材料表面冶金改性技術(shù)的范疇。其特征在于是，在真空容器內(nèi)，將欲滲金屬源極以金屬鈦絲的形式插入到平板或圓桶中且鈦絲與鈦絲間隔8－15mm，長度為10－50mm，置于距離被滲金屬工件10－28mm處，首先將氬氣通入到真空容器中，在低電壓作用下將欲滲金屬鈦絲以鈦的離子、原子的形式高密度濺射出來，吸附在被轟擊加熱到一定溫度的工件表面上，形成一定厚度的鈦的滲鍍擴(kuò)散層。然后通入一定混合比的氬氣和氮?dú)?或氨氣)在鈦被濺射和擴(kuò)散的同時(shí)使氮與鈦元素在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成TiN的晶核并長大，其TiN合金層和擴(kuò)散層厚度高達(dá)10μm以上，鈦和氮的成分也由高到低向內(nèi)呈梯度分布，使表面TiN合金層和基體有良好的結(jié)合強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C23C14/06GK1673407SQ200510012419
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者徐重, 劉燕萍, 高原, 徐晉勇 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)