[发明专利]一种碳氮化钛/铁基合金复合涂层的反应氮弧熔涂制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷/金属复合涂层制备技术领域，特别涉及一种在氮气保护下，采用TIG焊熔涂方法在铁基金属表面原位合成碳氮化钛/铁基合金复合涂层的方法。

技术背景

碳氮化钛是一种性能优良、用途广泛的非氧化物材料，也是一种性能优异的涂层材料，它兼有氮化钛和碳化钛的特性和优点。与碳化钛相比，碳氮化钛的塑性、耐磨性更优异；与氮化钛相比，碳氮化钛具有更好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能、更低的摩擦因数。目前，碳氮化钛基金属陶瓷涂层的等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、空心阴极离子镀、离子束辅助沉积、粉末冶金真空烧结、激光熔覆制备技术得到了广泛的应用和研究。分析上述方法，会发现它们一般都具有设备昂贵，工艺复杂，涂层薄，效率低、成本高一种或几种缺点。

另外，采用火焰喷涂(焊)、等离子喷涂、氩弧熔覆、激光熔覆、感应熔覆、真空烧结工艺在零件表面制备陶瓷/金属复合涂层，已成为制备高硬度耐磨合金层重要方法。但上述技术中，作为硬质相的陶瓷相大多需预先合成，涂层中的陶瓷相粗大、分布不均匀，陶瓷/金属结合界面易受污染，涂层性能不够稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种制备工艺简单、生产成本低、制备效率高的碳氮化钛/铁基合金复合涂层制备方法。本发明实施的碳氮化钛/铁基合金复合涂层的反应氮弧熔涂制备方法，将反应合成技术与氮弧熔覆技术相结合，利用熔涂工艺在铁基金属基体表面原位合成碳氮化钛/铁基合金复合涂层。

本发明实施的碳氮化钛/铁基合金复合涂层的反应氮弧熔涂制备方法，通过以下措施实现：在氮气保护下，以表面预涂钛碳摩尔比1∶1的钛粉和石墨粉铁基体为阳极，采用直流TIG焊熔涂方法，利用熔涂过程中的氮弧能量将阳极熔化或熔融为低熔点液态铁基合金的同时使部分氮气电离，电离的氮气及未被电离的氮气与熔化或熔融的石墨及钛反应[Ti+[N]→TiN，Ti+C→TiC，式中[N]表示氮原子、氮分子或氮离子(N-、N+)]生成TiC和TiN，TiC和TiN相互发生反应形成TiCN(碳氮化钛)硬质相，冷却后生成以碳氮化钛为硬质相、铁基合金为基体相(粘结相)的碳氮化钛/铁基合金复合涂层。

本发明实施的碳氮化钛/铁基合金复合涂层的反应氮弧熔涂制备方法，工艺步骤为：

1.以纯度大于98％的工业钛粉和纯度大于98％的工业石墨粉混合粉末为原料，将其按钛碳摩尔比1∶1混合球磨，球磨的球料比为2∶1～5∶1，球磨转速为100～150r/min，球磨方式为湿磨，球磨介质为酒精，球磨时间为6～12h；

2.烘干混合粉末，烘干温度为45～60℃，烘干时间为6～12h；

3.用酒精稀释有机粘结剂将上述混合粉末调成浆料，浆料中有机粘结剂与混合粉末的质量百分比为1％～2％，有机粘结剂为聚丙烯酸腊或聚丁烯或聚苯乙烯；

4.用砂纸打磨铁基工件预涂表面直到出现金属光泽，用酒精或丙酮溶液清洗打磨后的表面并用热风吹干。

5.采用刷涂法在铁基工件表面涂覆浆料，涂覆厚度0.5～5.0mm，涂覆过程中不断压实涂覆层；

6.将上述涂覆好的铁基工件自然阴干6～12h，然后将其置入烘干箱中烘干，烘干温度45～60℃，烘干时间6～12h；

7.反应氮弧熔涂，在氮气保护下用TIG焊进行搭接烧熔，烧熔工艺条件为：直流正接，钨极直径1～5mm，电弧长度1～3mm，焊接电流50～500A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，焊接速度1～4mm/s，烧熔道次重叠率30％～50％；

8.将熔涂后的铁基工件放入温度为600～700℃的保温箱，断电后随炉冷却至室温。

本发明具有积极的效果：本发明提供的碳氮化钛/铁基合金复合涂层的反应氮弧熔涂制备方法，不需要预先合成碳氮化钛粉体，而是利用碳氮化钛形成元素在氮弧烧熔过程中通过反应直接合成碳氮化钛基金属陶瓷涂层，方法简单，成本低，提高了碳氮化钛/铁基合金复合涂层的制备效率，从根本上解决了等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、空心阴极离子镀、离子束辅助沉积、粉末冶金真空烧结、激光熔覆方法存在的问题，开辟了碳氮化钛基金属陶瓷涂层制备新途径。

附图说明

图1为涂层的XRD图谱，图2为涂层截面的扫描电镜(SEM)照片，图3为涂层截面的显微硬度分布曲线，图4为涂层与基体的磨损性能对比曲线。

具体实施方式

本发明采用上述碳氮化钛/铁基合金复合涂层的反应氮弧熔涂制备方法，在Q235钢试件表面制备碳氮化钛/铁基合金复合涂层。

实施例1：