一種耐磨性和疲勞性能較好的TiN涂層模具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐磨性和疲勞性能較好的TiN涂層模具，其表面涂有TiN涂層，該涂層相成分主要包括TiN、α-Fe、Ti相，無氧化物相；涂層較致密，無孔隙，涂層內(nèi)TiN彌散分布，涂層與基體處無裂紋等微觀缺陷，與基體呈冶金結(jié)合。本發(fā)明利用反應等離子熔覆技術(shù)原位合成TiN涂層可以在短時間內(nèi)制備出較厚的涂層，大大提高了粉末的沉積效率，節(jié)約了成本；涂層內(nèi)孔隙率低，涂層質(zhì)量好，涂層與基體可以形成冶金結(jié)合，大大提高了涂層的性能。
【專利說明】一種耐磨性和疲勞性能較好的TiN涂層模具

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料技術(shù)研究領域，具體的涉及一種TiN涂層模具。

【背景技術(shù)】
[0002] 反應熔覆技術(shù)是在等離子或激光等高能量束熔覆過程中通過元素或化合物間的 化學反應"原位合成"金屬陶瓷等涂層的一種新型涂層技術(shù)。原位合成工藝是在一定條件 下，通過元素和元素之間的物理化學反應，在基體內(nèi)部原位形成一種或多種高強度、高硬度 的增強顆粒，從而起到強化基體的作用。等離子熔覆技術(shù)是通過等離子束流熔化涂層材料 及基體表面的薄層，可在普通金屬材料表面獲得與基體呈冶金結(jié)合的表面功能涂層，從而 顯著改善基體材料的耐磨、耐蝕、耐熱性能。由于等離子熔覆技術(shù)得到的涂層相比其它方法 得到的涂層，具有熔覆層厚，與基體形成冶金結(jié)合、基體不需要前處理、效率高、成本低、涂 層質(zhì)量好等優(yōu)點，已廣泛應用于電力、煤炭、冶金和機械等工業(yè)領域。利用反應等離子熔覆 技術(shù)原位合成TiN涂層可以在短時間內(nèi)制備出較厚的涂層，大大提高了粉末的沉積效率， 節(jié)約了成本；涂層內(nèi)孔隙率低，涂層質(zhì)量好，涂層與基體可以形成冶金結(jié)合，大大提高了涂 層的性能。
[0003] TiN涂層具有低的摩擦系數(shù)和高的硬度，以及良好的耐腐蝕性被廣泛應用為裝飾 涂層、耐磨涂層、耐腐蝕涂層。目前，許多研究者通過反應熱噴涂、化學氣相沉積（CVD)、物 理氣相沉積（PVD)、電弧鍍、等技術(shù)制備了 TiN涂層，并對涂層的沉積過程，顯微結(jié)構(gòu)和性能 進行了研究。采用CVD、PVD等技術(shù)制備的TiN涂層厚度較薄，降低涂層的機械性能；而利用 熱噴涂反應技術(shù)可以制備較厚的TiN涂層，但涂層內(nèi)含有較多的孔隙，脆性較大，涂層質(zhì)量 不易控制。可以利用等離子熔覆技術(shù)，采用同軸送粉方式，在熔覆過程中，使熔覆粉末與送 粉氣N 2發(fā)生反應，原位生成TiN，采用反應等離子熔覆技術(shù)原位合成制備的TiN涂層厚度較 厚，與基體結(jié)合良好，可以達到冶金結(jié)合，同時熔覆層內(nèi)缺陷較少，涂層性能較好。
[0004] 目前，許多研究者通過反應熱噴涂、化學氣相沉積（CVD)、物理氣相沉積（PVD)、電 弧鍍、等技術(shù)制備了 TiN涂層，并對涂層的沉積過程，顯微結(jié)構(gòu)和性能進行了研究。采用 CVD、PVD等技術(shù)制備的TiN涂層厚度較薄，降低涂層的機械性能；而利用熱噴涂反應技術(shù)可 以制備較厚的TiN涂層，但涂層內(nèi)含有較多的孔隙，脆性較大，涂層質(zhì)量不易控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種耐磨性和疲勞性能較好的TiN涂層 模具。
[0006] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種耐磨性和疲勞性能較好的TiN涂層模 具，該涂層相成分主要包括TiN、a -Fe、Ti相，無氧化物相；涂層較致密，無孔隙，涂層內(nèi)TiN 彌散分布，涂層與基體處無裂紋等微觀缺陷，與基體呈冶金結(jié)合。
[0007] 優(yōu)選地，所述涂層包括兩個區(qū)域，區(qū)域1主要元素為Ti-72. 3%、N-27. 7%，區(qū)域2 主要元素為Ti-52. 5%、Fe_47. 5%，可知區(qū)域1黑色相為TiN相，區(qū)域2主要為Ti和a -Fe 相。
[0008] 優(yōu)選地，所述涂層是由Ti粉和送粉氣N2在熔覆過程中發(fā)生反應原位合成TiN制 備得到。
[0009] 優(yōu)選地，所述模具包括金屬件和非金屬件。
[0010] 優(yōu)選地，所述金屬件包括螺栓、齒輪、軸承、鉆頭套。
[0011] 進一步地，本發(fā)明提供了一種軸承套，該軸承套內(nèi)壁噴涂有TiN涂層。
[0012] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0013] 本發(fā)明直接對Ti粉末進行熔覆，可以再零件表面直接制備耐磨陶瓷涂層，涂層的 硬度較高，（Ti, Fe)共晶相提高了涂層的韌性。反應等離子熔覆原位合成的TiN復合涂層 避免傳統(tǒng)的采用反應噴涂TiN層較大的脆性和工藝復雜，需要較多的人力和物力資源。
[0014] 本發(fā)明采用反應等離子熔覆制備TiN復合涂層，涂層較致密，與基體結(jié)合良好，達 到冶金結(jié)合，厚度約800 μ m，采用壓痕法測量涂層斷裂韌性為5.15
[0015] 本發(fā)明采用等離子熔覆Ti粉末制備的原位合成TiN復合涂層，該方法可以采用粉 末直接熔覆，操作方便，易于推廣，大大的節(jié)約了成本。
[0016] 本發(fā)明采用反應等離子熔覆技術(shù)制備TiN復合涂層，硬度較高，達到996HV0. 3，高 的硬度可以提高涂層的耐磨性，涂層的斷裂韌性較大，可以達到可以提高涂 層內(nèi)斷裂力學性能，延長涂層的疲勞壽命。
[0017] 總之，利用反應等離子熔覆技術(shù)原位合成TiN涂層可以在短時間內(nèi)制備出較厚的 涂層，大大提高了粉末的沉積效率，節(jié)約了成本；涂層內(nèi)孔隙率低，涂層質(zhì)量好，涂層與基體 可以形成冶金結(jié)合，大大提高了涂層的性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1本發(fā)明實施案例1中得的反應等離子熔覆原位合成TiN復合涂層；
[0019] 圖2涂層的SEM掃描形貌；
[0020] 圖3涂層的XRD測試結(jié)果；
[0021] 圖4涂層硬度測試結(jié)果；
[0022] 圖5斷裂韌性測試壓痕形貌；
[0023] 圖6不同電流對熔覆層成形性形貌影響；
[0024] 圖7不同送粉量對熔覆層形貌和TiN含量的影響。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖及其【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護范圍并不局限 于以下實例，應包含權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。
[0026] 以下實施例中所使用的均為常規(guī)儀器和設備。
[0027] 實施例1涂層的制備
[0028] 涂層的制備過程分為制備Ti粉末，模具表面預處理，熔覆，原位合成TiN復合涂層 四個階段，四個階段步驟如下：
[0029] (1)以Ti粉為原料，Ti粉的粒徑為80-100 μ m。
[0030] 以Ti粉為原料，對粉末進行過篩處理，篩子選用125目-300目，得到流動性較好， 粒徑為80-100微米，較均勻的Ti粉。
[0031] (2)模具表面預處理。
[0032] (2-1)對模具表面首先進行磨削處理，使模具表面的粗糙度達到Ra = 0. 8 μ m ;
[0033] (2-2)然后對模具表面進行酒精或丙酮清洗，去除模具表面的油污；
[0034] (3)進行熔覆。
[0035] (3-1)熔覆設備采用PAW-I等離子熔覆平臺，熔覆參數(shù)為，電流80A，電壓220V，送 粉量20g/min，掃描速度4mm/s，工作氣（Ar)流量2L/min，保護氣（Ar)流量6L/min，送粉氣 (N 2)流量 3L/min，
[0036] (3-2)在噴涂參數(shù)下，利用超音速等離子噴槍對工件表面進行熔覆，掃描過程采用 單道掃描，掃描速度為3m/s ;得到厚度約為400 μ m，寬度為6mm的涂層；
[0037] (4)反應等離子熔覆原位合成TiN復合涂層。
[0038] 在等離子熔覆槍的離子束下，Ti粉受熱熔化，部分熔融狀態(tài)的Ti粉與送粉氣N2反 應原位合成了 TiN相，TiN相與Ti在基體上形成了 TiN復合涂層，該涂層相成分主要包括 TiN、a -Fe、Ti相，且無氧化物相。
[0039] 制得的TiN復合涂層如圖1所示，涂層較致密，與基體結(jié)合良好，厚度約800 μ m，采 用壓痕法測量涂層斷裂韌性為5.15ΜΡ?.>^。
[0040] 熔覆電流是影響熔覆層成形性的重要因素，采取了 3種工藝參數(shù)對熔覆層的成形 性進行優(yōu)化，表1是不同電流對熔覆層成形性的優(yōu)化工藝參數(shù)。
[0041] 表1不同電流對熔覆成形性的影響

【權(quán)利要求】
1. 一種模具，其特征在于，其表面涂有TiN涂層，該涂層相成分主要包括TiN、a-Fe、Ti 相，無氧化物相；涂層較致密，無孔隙，涂層內(nèi)TiN彌散分布，涂層與基體處無裂紋等微觀缺 陷，與基體呈冶金結(jié)合。
2. 如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于，所述涂層包括兩個區(qū)域，區(qū)域1主要元素為 Ti-72. 3%、Ν-27· 7%，區(qū)域2主要元素為Ti-52. 5%、Fe-47. 5%，可知區(qū)域1黑色相為TiN 相，區(qū)域2主要為Ti和a -Fe相。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的模具，其特征在于，所述涂層是由Ti粉和送粉氣N2在熔覆 過程中發(fā)生反應原位合成TiN制備得到。
4. 如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具包括金屬件和非金屬件。
5. 如權(quán)利要求4所述的模具，其特征在于，所述金屬件包括螺栓、齒輪、軸承、鉆頭套。
6. -種軸承套，其特征在于，該軸承套內(nèi)壁噴涂有所述TiN涂層。
【文檔編號】C23C24/10GK104264150SQ201410539789
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】王海斗, 邢志國, 崔華威, 金國 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院