[发明专利]以TiO2 、炭黑和甲烷为组元的激光诱导金属表层复合TiC强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面的强化技术领域。

背景技术

碳化钛（TiC)是典型的过渡金属碳化物，键型由离子键、共价键和金属键混合在同一晶体结构中，熔点高达3160℃。作为表面涂层，TiC具有高硬度、高熔点、耐磨损、高温抗氧化等优良的综合力学性能，是目前研究和应用最为广泛的薄膜材料之一。

TiC涂层的制备技术目前主要是化学气相沉积(CVD) 和物理气相沉积（PVD）。CVD法沉积温度高，超过了绝大多数钢材的热处理温度，并且CVD 以氯化物为原料，需要一套提供制备含Ti 卤化物气体的设备，工艺复杂，成本较高，与目前提倡的绿色工业相抵触。PVD 法形成温度较低、涂层较薄，与基体的结合强度低，涂层易于从基底剥落，且绕镀性较差。

不论是CVD法还是PVD法，所获得的TiC涂层都较薄，厚度只有几个微米（μm），并且涂层与基体是机械结合，结合面强度低，使用中涂层易发生剥落。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种以TiO₂、炭黑和甲烷为组元的激光诱导金属表层复合TiC强化方法,可以使金属表面层原位复合生成TiC，从而对金属表面进行强化与提高耐磨性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

在金属表面涂敷TiO₂和炭黑的混合粉末，在甲烷气氛中，用激光束在涂敷TiO₂和炭黑的混合粉末的金属表面进行扫描。

通过以上方法可以在金属表层原位复合生成TiC，实现对金属表面的强化与提高耐磨性。

本发明具有以下优点：

1、TiC是在金属表层原位复合生成，而不是在表面沉积，因此不存在涂层与基体的结合力问题；

2、原位复合有TiC的金属表层厚度可达500微米，显微硬度可达HV2600以上，因此即使表面在使用过程中有微磨损，仍然具有很好的硬度和耐磨性；

3、反应组元为TiO₂、炭黑和甲烷，以激光为能量源，不会对环境造成任何污染，是一种环保的金属表面强化与耐磨方法。

另，为了适应不同的金属材质，本发明所述TiO₂为工业纯TiO₂，TiO₂和炭黑的混合质量比为7:3。

在金属表面涂敷所述TiO₂和炭黑粉末的厚度为1.5～2毫米。

所述甲烷的流量为9～10L/min。

所述激光束的扫描速度为400～600mm/min，功率为700～1200W，波长为1.06μm或10. 6μm，光斑直径为2～3毫米。

具体实施方式

一、对Q235A、20钢、40钢、45钢、20G、20Mn、40Mn和60Mn碳素结构钢分别进行表面处理：

1、在碳素结构钢表面敷以工业纯TiO₂和炭黑混合粉末，其质量比为7:3，厚度为1.5毫米；

2、随激光光斑移动，通以甲烷，甲烷流量为9L/min;

3、激光光束以500mm/min速度进行扫描，激光功率为900W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。

4、经检测结果，在碳素结构钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiC层，显微硬度可达HV2600以上。

二、对20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金结构钢分别进行表面处理：

1、在合金结构钢表面敷以工业纯TiO₂和炭黑混合粉末，其质量比为7:3，厚度为1.5毫米；

2、随激光光斑移动，通以甲烷，甲烷流量为9L/min;

3、激光光束以400mm/min速度进行扫描，激光功率为700W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。

4、经检测结果，在合金结构钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiC层，显微硬度可达HV2650以上。

三、对65Mn、60Si2Mn和50CrVA弹簧钢分别进行表面处理：

1、在弹簧钢表面敷以工业纯TiO₂和炭黑混合粉末，其质量比为7:3，厚度为2毫米；

2、随激光光斑移动，通以甲烷，甲烷流量为10L/min;

3、激光光束以600mm/min速度进行扫描，激光功率为800W，激光波长为1.06μm，光斑直径为3毫米。

4、经检测结果，在弹簧钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiC层，显微硬度可达HV2700以上。