[发明专利]雾化喷射沉积制备氮化钛涂层的方法

说明书

技术领域:

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种雾化喷射沉积制备氮化钛涂层的方法。

背景技术:

TiN 属于间隙相, 熔点高达2955 ℃, 原子之间的结合为共价键、金属键及离子键的混合键，其中金属原子间存在金属键。因此，TiN 涂层(薄膜) 具有高熔点、高硬度、高化学稳定性及优异的耐高温氧化、耐磨和耐蚀等特性, 是理想的硬质防护膜。目前它已经成功地应用于机械加工用刀具和刃具、机械制造中的模具和部分耐磨部件以及一些防腐构件的表面上。

传统的氮化钛涂层(薄膜)的制备方法主要集中于化学气相沉积和物理气相沉积等。化学气相沉积氮化钛涂层(薄膜)，具有成膜速度快、镀膜绕射性好、镀层纯度高、沉积表面光滑等特点。其缺点是需要在较高温下反应，基片温度高，沉积速率较低，基体难于进行局部沉积，镀后通常需要真空热处理且会产生不容许的变形等，更要紧的是，参与沉积反应的TiCl₄和甲烷以及反应后的余气都有一定的毒性，对环境有一定程度的污染。物理气相沉积主要采用离子镀和离子溅射沉积方法，其特点是工件温度低，变形小，基体内部组织变化不大，有绿色热处理之称。但该法制备的氮化钛涂层(薄膜)厚度较化学气相沉积更薄，通常仅有2.5微米～3微米。这两类工艺的共同缺点是涂层(薄膜)厚度过薄(约几微米)，降低了涂层的力学性能尤其是它的耐磨性能，使其在一些特殊工况环境下难以胜任，同时此类氮化钛涂层(薄膜)多为粗大的柱状晶粒，韧性较差。

发明内容:

综上所述，本发明的目的是针对化学气相沉积和物理气相沉积制备氮化钛涂层(薄膜)的不足，而提供一种雾化喷射沉积制备氮化钛涂层的方法，具体地说，是以钢铁为基体材料，采用喷射沉积方法，以高压纯氮气作为雾化气体，在纯钛金属溶液雾化飞行过程中，与钛发生反应，生成氮化钛化合物，沉积在钢铁基材表面上，固化后形成氮化钛涂层。用本发明提供的雾化喷射沉积氮化钛涂层方法，相对于其他制备方法具有很多优点: ①金属的雾化、氮化钛化合物合成、沉积都在高纯氮气气流作用下完成，工序少，工艺简单；②雾化喷射沉积能显著地细化氮化钛涂层的显微组织，具有快速凝固的等轴、细小组织；③雾化喷射沉积只需数分钟,而非其它工艺的数小时，缩短了生产周期，且不产生有毒的副产品。经检索，有关雾化喷射沉积制备氮化钛涂层材料的方法还未见报道。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种雾化喷射沉积制备氮化钛涂层的方法，包括以下步骤：

第一步、将钢铁工件表面喷砂糙化，使之露出新鲜基体后，置于喷射雾化沉积室内，同时将纯钛金属放入喷射沉积中频感应炉内；

第二步、封炉后将沉积室抽真空至10^-3~10^-1Pa；

第三步、将放在喷射沉积中频感应炉内的纯钛金属材料熔化，熔炼温度为1780℃~1840℃；

第四步、将熔化的纯钛金属溶液注入导液管内，采用高压纯氮气将从导液管流出的钛金属溶液进行粉碎、雾化，高速沉积到经预处理的钢铁板件基体上；喷射沉积是在高真空高温喷射成形设备上完成，雾化气体为高压纯氮气，雾化压力为1.5~2.5MPa，接收距离为350~450mm，涂层厚度为0.2~1.0mm；

第五步、关闭中频感应炉电源，关闭高压氮气源。

进一步，第一步所述的喷砂糙化处理是指，对钢铁工件表面待沉积部位进行喷砂糙化处理，以便去除表面氧化膜，并达到一定的表面粗糙度，以提高沉积层与钢铁工件基材的结合力；喷砂使用的磨料为16#，20# 棕刚玉。

进一步，第一步所述的纯钛金属原料选用TA0或TA1或TA2或TA3。

进一步，第一步所述的钢铁工件材料包括普通碳素钢，优质碳素钢，高级优质碳素钢，普通低合金钢，中合金钢，高合金钢，灰口铸铁。

进一步，第一步所述的钢铁工件是不同形状的板，盘，管，柱。

进一步，第四步所述的喷射沉积是在高真空高温喷射成形设备上完成，雾化气体为高压氮气，雾化压力为1.5~2.5MPa，接收距离为350~450mm。

本发明的积极效果是：

1、本发明提出的雾化喷射沉积制备氮化钛涂层的方法，由于采用高压氮气作为雾化推进气体，在喷射过程中，金属的雾化、氮化钛化合物合成、沉积都在高压氮气气流作用下完成，工序少，工艺简单，涂层材料高速撞击到经净化糙化处理钢铁工件基材上，涂层附着力强。