[发明专利]一种用于金属工件表面碳氮化钛防护涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐磨硬质防护涂层领域，具体地说是一种用于碳含量超过0.45wt%的金属工件（模具、标准件及机械部件等）表面碳氮化钛防护涂层的制备方法。

背景技术

金属工件（模具、标准件、机械部件等）的失效主要是由磨损引起的。尽管采用传统的热处理方法可以提高工件的耐磨性能，但由于表面硬度提高有限，很多金属材料依旧无法发挥其应有的潜力。硬质合金硬度高、耐磨性能优良，但成本高，加工难度大、周期长，难以用于普通的金属工件。因此，在金属工件表面涂覆硬质防护涂层，不仅可以大大提高工件的表面硬度，而且可以改善其抗粘着磨损能力，将是提高工件耐磨性能以及使用寿命的一个理想解决方案。

TiN和TiC等含钛陶瓷涂层具有硬度高、耐磨和化学稳定性良好等优点，已在工具行业中广泛应用。但是，TiC涂层太脆，在使用中容易剥落。而TiN涂层在高温条件下抗氧化、抗磨损能力等方面存在不足。碳氮化钛（TiCN）是TiN和TiC的固溶体，兼有两者的特性和优点。与TiC相比，TiCN的塑性、耐磨性更优异。与TiN相比，TiCN有更好的抗粘着磨损和磨粒磨损性能、更低的摩擦系数，可以进一步提高工件的耐热、耐蚀等性能，对延长工件的使用寿命具有重要的现实意义。但是，因为硬度较高，TiCN涂层与基材往往存在较大的应力，因此涂层与基体的结合强度较低，在使用过程中涂层易剥落，失去防护效果。

TiCN涂层的制备方法主要有化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）两种。近年来，出现了通过对充分混合的钛源和碳源进行氮化获得碳氮化钛涂层的方法。

采用CVD和PVD方法制备碳氮化钛涂层共同的特点是：真空室内钛源与含碳气体（如：甲烷和乙炔）、含氮气体（氮气）发生相互作用并沉积在基材表面。其中，前者具有涂层质量均匀、绕镀性好等优点。但是，采用TiCl₄为钛源将导致涂层中残存Cl元素，加之反应产物中的HCl气体，将对反应容器和生成的涂层产生腐蚀，同时也将导致环境污染。后者的优点是沉积速度快、所得涂层致密度好，同时所获得涂层的成分可以调整。如：中国专利申请（专利号：91102459.X）公开了一种采用离子镀制备碳氮化钛涂层的工艺。通过调整钛的蒸发速率以及C₂H₂和N₂两种气体的分压，获得了不同颜色和碳氮比的碳氮化钛涂层。尽管化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）两种涂层方法在生产中已日渐成熟，但其存在的突出问题是涂层与基体的界面结合强度较低，涂层在使用过程中易剥落，由此导致工件迅速磨损而报废。

最近有专利提出采用表面预涂石墨粉（碳源）对具有一定钛含量的金属工件氮化的方法制备TiCN涂层，但是工艺较复杂，同时涂层与基材的结合力也不够理想。如：中国专利申请（申请号：200910074594.X）公开了一种反应氮弧（氮化）碳氮化钛涂层的制备方法。以钨电极作为阴极，以表面预涂石墨粉（碳源）的含钛金属基体作为阳极，在氮气气氛下启弧熔覆，从而形成了碳氮化钛涂层。显然，该方法适用于具有一定钛含量的金属工件的表面防护；同时，预涂的石墨粉需要均匀并且具有合适的厚度，否则均无法获得理想的碳氮化钛防护涂层。

发明内容

围绕碳含量超过0.45wt%的金属工件，针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于金属工件表面碳氮化钛防护涂层的制备方法，解决现有技术中存在的涂层与基体的界面结合强度较低，涂层在使用过程中易剥落，以及由此导致的工件迅速磨损而报废等问题。

本发明的技术方案是：

一种用于金属工件表面碳氮化钛防护涂层的制备方法，该方法由金属工件基材内的C、金属工件表面预涂Ti粉末层或Ti涂层的Ti，以及高压氮气气氛和/或氮离子注入中的N在高温下互扩散形成。

所述的用于金属工件表面碳氮化钛防护涂层的制备方法，金属工件为含碳量>0.45wt%的金属材料，利用金属工件内的碳作为碳源。

所述的用于金属工件表面碳氮化钛防护涂层的制备方法，金属工件材质为：Cr12、Cr12MoV、Cr5Mo1V、GCr15、CrWMn、T10或55#钢。

所述的用于金属工件表面碳氮化钛防护涂层的制备方法，预先对金属工件表面进行清洗并涂敷2～8微米钛粉末层或者钛涂层：