[发明专利]氮化钛耐磨涂层及其喷涂方法

说明书

本发明涉及在使用中通常受到机械磨损的工业制品，诸如粉碎机的筛板，和延长这类制品使用寿命的方法。

在世界上的各个工业部门，许多机械装置在其正常的使用过程中，受到由磨蚀、剥蚀和/或腐蚀引起的磨损作用。工业界花费了极大的费用，对在不起化学作用和腐蚀性工作环境下，由于过度磨损而过早报废的元件进行替换。许多元件如果用较硬的耐腐蚀材料制造，其使用寿命可以长一些，但是，这样的做法却经常由于花费过高而受到阻碍，这是因为花费的高低正是成功与失败之间的区别所在。

许多方法都可以用于在工业元件上进行表面硬化或喷镀耐腐蚀和磨损的材料。最老的已知方法是扩散处理、氮化和碳化铁基材料。使用这样技术的缺点是，这样的技术需对元件进行升温。对元件进行升温除去与能量和操作时间相伴随的高花费外，还可能引起元件的尺寸变化和机械性能的损失，使得元件不适于使用，并且/或在表面处理后，还需要一个进一步的热处理工序，以及一个随后进行的清理工序。

电镀，通常用于产生硬的铬或镍镀层。它涉及将欲电镀的元件清理到很高的洁净程度，并需使用有毒的溶液。而这样的溶液当以保证环境安全的方式处理时，需花费很高的费用。

化学和物理的蒸汽喷涂涂层需要很高的投资，很高的加工费用，并且只限于很薄的涂层和小元件。

在可以用于不受元件尺寸和涂层厚度限制、对元件进行喷涂的热喷涂方法中，火焰喷涂经常生成一种带有氧化物杂质的多孔涂层。

等离子喷涂，特别是如果在一个真空或大气室中进行，将会产生一层致密均匀的涂层，但其费用昂贵，因此在使用上受到了限制。

高速爆涂枪可以在基体上喷涂致密的陶瓷涂层，但这样的设备、喂料粉末和加工过程都是非常昂贵的。

使用惰性气体的电弧喷涂可以产生致密均匀的涂层，这种涂层可以很好地粘结到各种基体材料上。不需高焓火焰的电弧喷涂氮化钛与高热量输出、能够破坏或改变基体材料的等离子和火焰喷涂工艺相比，是一种冷喷涂工艺。并且，它的设备投资、运行费用比等离子高速喷涂方法的一半还少，比化学蒸汽喷涂法的小大约一个数量级。在本发明公开的电弧喷涂氮化钛型涂层的工艺中，欲喷涂表面除了喷砂外，不需作任何特别的准备。

对于一个在使用中通常受到磨蚀、剥蚀和/或腐蚀作用的元件，为了延长其磨损寿命，可以通过电弧热喷涂工艺，用氮气作为推进（雾化）气体、用钛金属线作为进料材料，在该元件上喷涂一层氮化钛涂层。并且，由一条已预氮化处理过的钛线所产生的涂层在硬度和耐磨方面都超过如果使用未预氮化处理的钛线对基体进行喷涂而得到的涂层。

本发明包括使用两种不同的金属线材进行氮气电弧喷涂所得到的涂层，但这两种金属线材中至少有一种是钛金属线。在第二种线是选自铁金属、钛除外的非铁金属、非铁金属合金、陶瓷、金属间化合物、诸如芯线的特殊焊线以及它们的组合物的一切情况下，钛线不一定要预氮化。在钛线不是预氮化的情况下，这有利于退火或加热处理原沉积的涂层在氮气中冷却以增加涂层中的Ti_XN相。

涂于基质上的复合涂层包括金属、陶瓷、碳、石墨、塑料和碳/石墨复合物，以上说的只作为说明。

图1示意地表示了一个用于实施本发明工艺、对受磨损作用的元件进行喷涂的典型的电弧喷涂装置。

图2是一幅金相照片，表示钛线在处理前的金相结构。

图3是一幅金相照片，表示钛线在预氮化处理后的金相结构。

对于一个在使用中通常受到机械磨损作用的元件，增加其使用寿命，可以为制造者和使用者节省相当大的费用。例如，在对诸如橡胶、塑料等这类材料进行粉碎，用于再转变成化合物的过程中，如果将冲击粉碎机（例如锤式粉碎机）中用于筛分物料的筛板的使用寿令延长一倍，将会得到重大的效益。

增加工业元件耐磨能力的一种方法是，在元件受磨损的表面喷涂一层氮化钛涂层。已经发现，如果电弧喷涂工艺用于喷涂这样的涂层，并且用高纯度的氮气代替空气作为推进气体，那么，钛线熔融后，钛便在电弧喷涂装置和将要喷涂上一层氮化钛涂层的基体之间氮化，同时只受到微弱的氧化作用。这种电弧喷涂工艺可以在没有气氛室或加热炉或随后氮化涂层的情况下使用。如果钛线在放入电弧喷涂装置之前受到氮化处理，可以得到一个具有特殊效果的涂层。

氮气作为推进（雾化）气体，在电弧热喷涂过程在飞行中与脱离钛给料线尖端的钛熔滴反应，生成氮化钛化合物。当熔融的钛滴落到正在涂覆的元件表面时固化，形成一层硬的氮化钛基涂层，从而防止元件磨损和腐蚀。