專利名稱：一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層及其加工方法，屬于金屬表面材料制備及表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料(MMCS)具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨、耐高溫等性能，特別是顆 粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有成本低，制備工藝相對簡單，后續(xù)加工方便等優(yōu)點，應(yīng)用前景更 為廣泛。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料主要以Al、Cu、Ni、Ti、Fe為基體材料，常用的增強(qiáng)顆粒 為碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硫化物或其復(fù)相體系。顆粒增強(qiáng)鐵基表面復(fù)合材料主要 有WC、TiC和VC增強(qiáng)鐵基耐磨復(fù)合材料，Cr3C2增強(qiáng)鐵基耐熱復(fù)合材料等?？梢圆捎描T造燒 結(jié)法，激光涂覆法和燃燒合成法制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鐵基表面復(fù)合材料。鑄造燒結(jié)法是將一定配比的合金粉末壓坯貼在鑄型表面，利用澆注過程中金屬熔 液的熱量引發(fā)壓坯高溫化學(xué)反應(yīng)，生成大量陶瓷顆粒，同時完成燒結(jié)致密化，獲得在鑄件 表面燒結(jié)而成的表面復(fù)合材料。利用鑄造燒結(jié)法，可以在鋼鑄件上形成3 4mm厚的VC 增強(qiáng)Fe基表面復(fù)合材料，基體組織為馬氏體，鑄態(tài)硬度為57HRC。(復(fù)合材料學(xué)報/2002， 17(1)//71-75)通過激光熔覆，可以在中碳鋼基體上制備原位析出&C、TiC、WC復(fù)合碳化物顆粒 增強(qiáng)的鐵基表面復(fù)合材料，(應(yīng)用激光/2002,22(2)//109-112)在45鋼表面制備出原位合 成TiB2陶瓷顆粒增強(qiáng)的Ni基復(fù)合材料涂層，涂層是由粘結(jié)金屬Ni基體和彌散分布于其中 原位合成的穩(wěn)定和亞穩(wěn)定硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)相組成。(材料熱處理學(xué)報/2005，26(1)//70-73)。燃燒合成法利用外部能量誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)體系燃燒，體系在自身釋放熱量的 支持下，形成以一定速度蔓延的固態(tài)燃燒波，使原始混合物反應(yīng)形成所需產(chǎn)物，燃燒波蔓延 至整個反應(yīng)體系后反應(yīng)結(jié)束。反應(yīng)溫度高是燃燒合成技術(shù)的特征，借助不同的反應(yīng)體系，可 在鐵基材料表面原位合成各種增強(qiáng)相，從而制備出鐵基表面復(fù)合材料。李文戈等利用燃燒 合成技術(shù)在普通鋼管內(nèi)壁原位制備了 2 3mm厚的Al2O3陶瓷涂層，涂層耐磨性極佳，在生 產(chǎn)實踐中得到了很好的應(yīng)用。(石油化工設(shè)備/2003，32 (6)//7-9)也可在A3碳鋼表面原位 合成增強(qiáng)相為Cr3C2和AlN的復(fù)相陶瓷涂層，涂層與基體之間為冶金結(jié)合，在干摩擦條件下， 耐磨性約為碳鋼基體的三倍。(中國有色金屬學(xué)報/2003，13 (4)//968-973.)此外，宋思利等人采用氬弧熔敷法，通過在Fe基自熔合金粉末中添加一定比率的 石墨和強(qiáng)碳化物形成元素Ti，在中碳鋼基體上制備出原位形成的TiC顆粒增強(qiáng)Fe基復(fù)合材 料涂層。(焊接學(xué)報/2006，27 (2)//39-42)除了上述采用各種碳化物、氧化物作為增強(qiáng)相的鐵基復(fù)合材料表面層以外，還經(jīng) 常用TiN作為增強(qiáng)相，采用氣體滲氮、等離子滲氮、離子注入、物理氣相沉積(PVD)及化學(xué)氣 相沉積(CVD)、激光氣體氮化等技術(shù)，制備TiN涂層或TiN增強(qiáng)表面復(fù)合材料。例如，利用激 光在Ti6A14V合金表面原位制備TiN枝晶增強(qiáng)梯度金屬基復(fù)合材料表面層，表面層沿激光 熔化深度具有明顯的梯度結(jié)構(gòu)，與Ti6A14V基體之間為良好的冶金結(jié)合，顯著提高了表面硬度及耐磨性。(功能材料/2004，35 (6)//771-773)用等離子復(fù)合滲鍍合成氮化鈦的方法可以在Q235鋼表面制備Ti基TiN顆粒復(fù)合 材料表面層。首先，利用輝光放電濺射將針狀鈦絲的鈦元素以離子、原子的形式濺射出來， 在鋼試樣表面形成鈦合金擴(kuò)散層。然后，在氣氛室中及合適溫度下，進(jìn)行滲氮和氮化鈦的復(fù) 合滲鍍過程。(材料工程/2007年11期//66-70，75)
但是，鑄造燒結(jié)法得到的表面層較厚，浪費材料；激光涂覆法制備成本較高；燃燒 合成法對反應(yīng)物有嚴(yán)格要求，必須為高放熱化學(xué)反應(yīng)體系；而且這幾種方法主要用于制備 各種碳化物增強(qiáng)的表面復(fù)合材料。氬弧熔敷法也用于制備碳化物增強(qiáng)的表面復(fù)合材料，電 弧氣氛不參加增強(qiáng)相合成反應(yīng)。氣體滲氮、等離子滲氮、離子注入、物理及化學(xué)氣相沉積等 方法制備的氮化層很薄；激光氣體氮化方法制備成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層及其加工方法，在鋼零件表面制 備一種氮化鈦增強(qiáng)表面層，可使鐵基復(fù)合材料表面層性能進(jìn)一步提高，解決鋼的耐磨性能 差的問題。本發(fā)明公開的一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層，其特征在于增強(qiáng)相為氮化 鈦，氮化鈦以“原位生長”形式在鋼基體中長大，呈枝晶和顆粒形狀，分布均勻，與鋼基體為
冶金結(jié)合。本發(fā)明公開的氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層的加工方法，其特征在于在鋼基 體表面預(yù)敷一層純鈦粉末，烘干后用氮電弧直接加熱，使純鈦粉末與鋼基體表面局部熔化， 熔池中的Ti與來自電弧氣氛的N元素發(fā)生氮化反應(yīng)Ti+N — TiN,原位生成的TiN作為增強(qiáng) 相與鋼基體組成鐵基復(fù)合材料。具體技術(shù)解決方案是，在鋼基體表面預(yù)敷一層純鈦粉末，采用氮氣與氬氣作為反 應(yīng)及保護(hù)氣體，用氬弧焊機(jī)獲得氮電弧，采用不同的電弧電流及焊槍行走速度，對鋼基體 表面進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理，以形成與基體結(jié)合良好的TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層。主要工藝步驟如下1)對鋼基體需處理的部位進(jìn)行表面清理，如用丙酮等溶劑去油，也可以進(jìn)行機(jī)械清理。2)在鋼基體表面預(yù)敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200-300目，采用水玻璃溶液 為粘接劑，涂敷后壓實壓平，涂敷厚度為0. 5-1. 0mm。3)放置24h后放入烘干箱，加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫后，準(zhǔn)備進(jìn)行熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機(jī)構(gòu)上，對工件進(jìn)行電弧熔覆處理，行走速度為 2-5mm/s,電弧電流為 140-240A。5)使用氣體混合配比器控制N2與Ar的比例，調(diào)節(jié)電弧氣氛中氮氣分壓，混合氣體 的總流量為10L/min。6)控制每道間的搭接量約為30%，使氮電弧熔覆表面層組織性能均勻，表面平
iF. ο
采用本發(fā)明方法對鋼基體進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為l-2mm的TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層，TiN增強(qiáng)相呈枝晶和顆粒狀(見圖1)，在鋼基體中 分布均勻，表面硬度達(dá)到HV760-840。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有的積極效果在于采用預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理方 法，在鋼基體表面制備TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層，這種“TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層” 與現(xiàn)有的用鑄造燒結(jié)法、激光涂覆法和燃燒合成法制備的碳化物增強(qiáng)鐵基表面復(fù)合材料的 強(qiáng)化相類型不同，為氮化物。TiN與TiC相比，熔點和硬度差別不大，但具有優(yōu)良的高溫化學(xué) 穩(wěn)定性及導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，更適用于耐高溫、耐磨損領(lǐng)域。而且制備的“TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材 料表面層”厚度為l_2mm，比各種表面氮化和氣相沉積方法制備的氮化層厚度明顯增大，可 以根據(jù)實際工況和使用壽命要求進(jìn)行設(shè)計和控制。預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理方法具有設(shè)備 簡單，氮化處理時間短，成本低等優(yōu)點。TiN顆粒為“原位”生長，與鋼基體為冶金結(jié)合。TiN 增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層可以明顯提高鋼基體的表面硬度和耐磨性。采用預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理方法，在鋼基體表面制備厚度為l_2mm的TiN增強(qiáng) 鐵基復(fù)合材料表面層。TiN增強(qiáng)相為“原位”生長，與鋼基體為冶金結(jié)合，呈枝晶和顆粒狀， 在鋼基體中分布均勻。


圖1為TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層中TiN增強(qiáng)相的分布及形態(tài)金相圖；圖2為Q235鋼TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層中TiN增強(qiáng)相形態(tài)金相圖；圖3為Q235鋼TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層中熔合區(qū)金相圖；圖4為20鋼TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層中TiN增強(qiáng)相形態(tài)金相圖；圖5為45鋼TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層中TiN增強(qiáng)相形態(tài)金相圖；圖6為42CrMo鋼TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層中TiN增強(qiáng)相形態(tài)金相圖。
具體實施例方式通過以下實施例進(jìn)一步舉例描述本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明，在不背離 本發(fā)明的技術(shù)解決方案的前提下，對本發(fā)明所作的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易實現(xiàn)的任何改 動或改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。實施例1 Q235鋼“TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層”1)對Q235鋼基體工作部位用機(jī)械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預(yù)敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為300目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為0. 5mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進(jìn)行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機(jī)構(gòu)上，或者人工手持焊槍，行走速度約為2mm/s， 電弧電流為140-160A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對Q235鋼進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為Imm的TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層，TiN增強(qiáng)相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖2)。6)觀察表面層與Q235鋼基體的界面區(qū)域(即熔合區(qū))，仍然有較多的TiN增強(qiáng)相， 為良好的冶金結(jié)合(見圖3)。7)將電弧熔覆處理部位進(jìn)行機(jī)械加工至技術(shù)要求尺寸，測定其表面硬度平均為 HV760。8)采用銷盤式磨損試驗機(jī)對Q235鋼和TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層的試樣進(jìn)行 對比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高4倍。實施例2:20鋼“TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層”1)對20鋼基體工作部位用機(jī)械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預(yù)敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為300目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為0. 8mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進(jìn)行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機(jī)構(gòu)上，或者人工手持焊槍，行走速度約為4mm/s， 電弧電流為200-220A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對20鋼進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為1. 6mm的TiN增強(qiáng)鐵 基復(fù)合材料表面層，TiN增強(qiáng)相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖4)。6)將電弧熔覆處理部位進(jìn)行機(jī)械加工至技術(shù)要求尺寸，測定其表面硬度平均為 HV795。7)采用銷盤式磨損試驗機(jī)對20鋼和TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層的試樣進(jìn)行對 比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高3. 4倍。實施例3 45鋼“TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層”1)對45鋼基體工作部位用機(jī)械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預(yù)敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為1mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進(jìn)行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機(jī)構(gòu)上，或者人工手持焊槍，行走速度約為5mm/s， 電弧電流為220-240A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對45鋼進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為2mm的TiN增強(qiáng)鐵基 復(fù)合材料表面層，TiN增強(qiáng)相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖5)。6)將電弧熔覆處理部位進(jìn)行機(jī)械加工至技術(shù)要求尺寸，測定其表面硬度平均為HV840。7)采用銷盤式磨損試驗機(jī)對45鋼和TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層的試樣進(jìn)行對 比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高2. 8倍。
實施例4 42CrMo鋼“TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層”1)對42CrMo鋼基體工作部位用機(jī)械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預(yù)敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為0. 6mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進(jìn)行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機(jī)構(gòu)上，或者人工手持焊槍，行走速度約為3mm/s， 電弧電流為160-180A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對42CrMo鋼進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為1. 3mm的TiN增 強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層，TiN增強(qiáng)相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖6)。6)將電弧熔覆處理部位進(jìn)行機(jī)械加工至技術(shù)要求尺寸，測定其表面硬度平均為 HV836。7)采用銷盤式磨損試驗機(jī)對42CrMo鋼和TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層的試樣進(jìn) 行對比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高2. 1倍。
權(quán)利要求
一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層，其特征在于增強(qiáng)相為氮化鈦，氮化鈦以“原位生長”形式在鋼基體中長大，呈枝晶和顆粒形狀，分布均勻，與鋼基體為冶金結(jié)合。
2.一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層的加工方法，其特征在于在鋼基體表面預(yù)敷 一層純鈦粉末，采用氮氣與氬氣作為反應(yīng)及保護(hù)氣體，用氬弧焊機(jī)獲得氮電弧，采用不同的 電弧電流及焊槍行走速度，對鋼基體表面進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理，以形成與基體結(jié) 合良好的TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加工方法，包括以下主要工藝步驟如下1)對鋼基體需處理的部位進(jìn)行表面清理，去除氧化物和油污；2)在鋼基體表面預(yù)敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200-300目，采用水玻璃溶液為粘 接劑，涂敷后壓實壓平，涂敷厚度為0. 5-1. Omm ；3)放置24h后放入烘干箱，加熱到150°C保溫2h，斷電冷卻至室溫后，準(zhǔn)備進(jìn)行熔覆；4)用氬弧焊槍對工件進(jìn)行電弧熔覆處理，行走速度為2-5mm/s，電弧電流為140-240A， 控制每道間的搭接量約為30%，使氮電弧熔覆表面層組織性能均勻，表面平整；5)使用氣體混合配比器控制N2與Ar的比例，調(diào)節(jié)電弧氣氛中氮氣分壓，混合氣體的總 流量為10L/min ；6)對鋼基體進(jìn)行預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為l_2mm的TiN增強(qiáng) 鐵基復(fù)合材料表面層，TiN增強(qiáng)相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻，表面硬度達(dá)到 HV760-840。
全文摘要
本發(fā)明公開一種氮化鈦增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層及其加工方法，在鋼基體表面預(yù)敷一層純鈦粉末，烘干后用氮電弧直接加熱，使純鈦粉末與鋼基體表面局部熔化，熔池中的Ti與來自電弧氣氛的N元素發(fā)生氮化反應(yīng)Ti+N→TiN，原位生成的TiN作為增強(qiáng)相與鋼基體組成鐵基復(fù)合材料。采用本發(fā)明預(yù)敷鈦粉氮電弧熔覆處理方法，在鋼基體表面制備厚度為1-2mm的TiN增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料表面層。TiN增強(qiáng)相為“原位”生長，與鋼基體為冶金結(jié)合，呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻，可以明顯提高鋼基體的表面硬度和耐磨性。
文檔編號C23C24/10GK101798684SQ20101013585
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者任振安, 張寶昌, 徐文曉, 王亞男 申請人:長春工業(yè)大學(xué)