專利名稱：一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法
技術領域：
本發明公開一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法，屬于金屬表面材料制備及表面加工技術領域。
背景技術：
金屬基復合材料(MMCS)具有高比強度、高比模量、耐磨、耐高溫等性能，特別是顆 粒增強金屬基復合材料具有成本低，制備工藝相對簡單，后續加工方便等優點，應用前景更 為廣泛。顆粒增強金屬基復合材料主要以Al、Cu、Ni、Ti、Fe為基體材料，常用的增強顆粒 為碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硫化物或其復相體系。顆粒增強鐵基表面復合材料主要 有WC、TiC和VC增強鐵基耐磨復合材料，Cr3C2增強鐵基耐熱復合材料等。可以采用鑄造燒 結法，激光涂覆法和燃燒合成法制備內生顆粒增強鐵基表面復合材料。鑄造燒結法是將一定配比的合金粉末壓坯貼在鑄型表面，利用澆注過程中金屬熔 液的熱量引發壓坯高溫化學反應，生成大量陶瓷顆粒，同時完成燒結致密化，獲得在鑄件 表面燒結而成的表面復合材料。利用鑄造燒結法，可以在鋼鑄件上形成3 4mm厚的VC 增強Fe基表面復合材料，基體組織為馬氏體，鑄態硬度為57HRC。(復合材料學報/2002， 17(1)//71-75)通過激光熔覆，可以在中碳鋼基體上制備原位析出&C、TiC、WC復合碳化物顆粒 增強的鐵基表面復合材料，(應用激光/2002,22(2)//109-112)在45鋼表面制備出原位合 成TiB2陶瓷顆粒增強的Ni基復合材料涂層，涂層是由粘結金屬Ni基體和彌散分布于其中 原位合成的穩定和亞穩定硬質顆粒增強相組成。(材料熱處理學報/2005，26(1)//70-73)。燃燒合成法利用外部能量誘發高放熱化學反應體系燃燒，體系在自身釋放熱量的 支持下，形成以一定速度蔓延的固態燃燒波，使原始混合物反應形成所需產物，燃燒波蔓延 至整個反應體系后反應結束。反應溫度高是燃燒合成技術的特征，借助不同的反應體系，可 在鐵基材料表面原位合成各種增強相，從而制備出鐵基表面復合材料。李文戈等利用燃燒 合成技術在普通鋼管內壁原位制備了 2 3mm厚的Al2O3陶瓷涂層，涂層耐磨性極佳，在生 產實踐中得到了很好的應用。(石油化工設備/2003，32 (6)//7-9)也可在A3碳鋼表面原位 合成增強相為Cr3C2和AlN的復相陶瓷涂層，涂層與基體之間為冶金結合，在干摩擦條件下， 耐磨性約為碳鋼基體的三倍。(中國有色金屬學報/2003，13 (4)//968-973.)此外，宋思利等人采用氬弧熔敷法，通過在Fe基自熔合金粉末中添加一定比率的 石墨和強碳化物形成元素Ti，在中碳鋼基體上制備出原位形成的TiC顆粒增強Fe基復合材 料涂層。(焊接學報/2006，27 (2)//39-42)除了上述采用各種碳化物、氧化物作為增強相的鐵基復合材料表面層以外，還經 常用TiN作為增強相，采用氣體滲氮、等離子滲氮、離子注入、物理氣相沉積(PVD)及化學氣 相沉積(CVD)、激光氣體氮化等技術，制備TiN涂層或TiN增強表面復合材料。例如，利用激 光在Ti6A14V合金表面原位制備TiN枝晶增強梯度金屬基復合材料表面層，表面層沿激光 熔化深度具有明顯的梯度結構，與Ti6A14V基體之間為良好的冶金結合，顯著提高了表面硬度及耐磨性。(功能材料/2004，35 (6)//771-773)用等離子復合滲鍍合成氮化鈦的方法可以在Q235鋼表面制備Ti基TiN顆粒復合 材料表面層。首先，利用輝光放電濺射將針狀鈦絲的鈦元素以離子、原子的形式濺射出來， 在鋼試樣表面形成鈦合金擴散層。然后，在氣氛室中及合適溫度下，進行滲氮和氮化鈦的復 合滲鍍過程。(材料工程/2007年11期//66-70，75)
但是，鑄造燒結法得到的表面層較厚，浪費材料；激光涂覆法制備成本較高；燃燒 合成法對反應物有嚴格要求，必須為高放熱化學反應體系；而且這幾種方法主要用于制備 各種碳化物增強的表面復合材料。氬弧熔敷法也用于制備碳化物增強的表面復合材料，電 弧氣氛不參加增強相合成反應。氣體滲氮、等離子滲氮、離子注入、物理及化學氣相沉積等 方法制備的氮化層很薄；激光氣體氮化方法制備成本較高。

發明內容
本發明公開一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法，在鋼零件表面制 備一種氮化鈦增強表面層，可使鐵基復合材料表面層性能進一步提高，解決鋼的耐磨性能 差的問題。本發明公開的一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層，其特征在于增強相為氮化 鈦，氮化鈦以“原位生長”形式在鋼基體中長大，呈枝晶和顆粒形狀，分布均勻，與鋼基體為
冶金結合。本發明公開的氮化鈦增強鐵基復合材料表面層的加工方法，其特征在于在鋼基 體表面預敷一層純鈦粉末，烘干后用氮電弧直接加熱，使純鈦粉末與鋼基體表面局部熔化， 熔池中的Ti與來自電弧氣氛的N元素發生氮化反應Ti+N — TiN,原位生成的TiN作為增強 相與鋼基體組成鐵基復合材料。具體技術解決方案是，在鋼基體表面預敷一層純鈦粉末，采用氮氣與氬氣作為反 應及保護氣體，用氬弧焊機獲得氮電弧，采用不同的電弧電流及焊槍行走速度，對鋼基體 表面進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理，以形成與基體結合良好的TiN增強鐵基復合材料表面層。主要工藝步驟如下1)對鋼基體需處理的部位進行表面清理，如用丙酮等溶劑去油，也可以進行機械清理。2)在鋼基體表面預敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200-300目，采用水玻璃溶液 為粘接劑，涂敷后壓實壓平，涂敷厚度為0. 5-1. 0mm。3)放置24h后放入烘干箱，加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫后，準備進行熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機構上，對工件進行電弧熔覆處理，行走速度為 2-5mm/s,電弧電流為 140-240A。5)使用氣體混合配比器控制N2與Ar的比例，調節電弧氣氛中氮氣分壓，混合氣體 的總流量為10L/min。6)控制每道間的搭接量約為30%，使氮電弧熔覆表面層組織性能均勻，表面平
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采用本發明方法對鋼基體進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為l-2mm的TiN增強鐵基復合材料表面層，TiN增強相呈枝晶和顆粒狀(見圖1)，在鋼基體中 分布均勻，表面硬度達到HV760-840。本發明相對于現有技術具有的積極效果在于采用預敷鈦粉氮電弧熔覆處理方 法，在鋼基體表面制備TiN增強鐵基復合材料表面層，這種“TiN增強鐵基復合材料表面層” 與現有的用鑄造燒結法、激光涂覆法和燃燒合成法制備的碳化物增強鐵基表面復合材料的 強化相類型不同，為氮化物。TiN與TiC相比，熔點和硬度差別不大，但具有優良的高溫化學 穩定性及導熱、導電性能，更適用于耐高溫、耐磨損領域。而且制備的“TiN增強鐵基復合材 料表面層”厚度為l_2mm，比各種表面氮化和氣相沉積方法制備的氮化層厚度明顯增大，可 以根據實際工況和使用壽命要求進行設計和控制。預敷鈦粉氮電弧熔覆處理方法具有設備 簡單，氮化處理時間短，成本低等優點。TiN顆粒為“原位”生長，與鋼基體為冶金結合。TiN 增強鐵基復合材料表面層可以明顯提高鋼基體的表面硬度和耐磨性。采用預敷鈦粉氮電弧熔覆處理方法，在鋼基體表面制備厚度為l_2mm的TiN增強 鐵基復合材料表面層。TiN增強相為“原位”生長，與鋼基體為冶金結合，呈枝晶和顆粒狀， 在鋼基體中分布均勻。


圖1為TiN增強鐵基復合材料表面層中TiN增強相的分布及形態金相圖；圖2為Q235鋼TiN增強鐵基復合材料表面層中TiN增強相形態金相圖；圖3為Q235鋼TiN增強鐵基復合材料表面層中熔合區金相圖；圖4為20鋼TiN增強鐵基復合材料表面層中TiN增強相形態金相圖；圖5為45鋼TiN增強鐵基復合材料表面層中TiN增強相形態金相圖；圖6為42CrMo鋼TiN增強鐵基復合材料表面層中TiN增強相形態金相圖。
具體實施例方式通過以下實施例進一步舉例描述本發明，并不以任何方式限制本發明，在不背離 本發明的技術解決方案的前提下，對本發明所作的本領域普通技術人員容易實現的任何改 動或改變都將落入本發明的權利要求范圍之內。實施例1 Q235鋼“TiN增強鐵基復合材料表面層”1)對Q235鋼基體工作部位用機械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為300目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為0. 5mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機構上，或者人工手持焊槍，行走速度約為2mm/s， 電弧電流為140-160A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對Q235鋼進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為Imm的TiN增強鐵基復合材料表面層，TiN增強相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖2)。6)觀察表面層與Q235鋼基體的界面區域(即熔合區)，仍然有較多的TiN增強相， 為良好的冶金結合(見圖3)。7)將電弧熔覆處理部位進行機械加工至技術要求尺寸，測定其表面硬度平均為 HV760。8)采用銷盤式磨損試驗機對Q235鋼和TiN增強鐵基復合材料表面層的試樣進行 對比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高4倍。實施例2:20鋼“TiN增強鐵基復合材料表面層”1)對20鋼基體工作部位用機械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為300目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為0. 8mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機構上，或者人工手持焊槍，行走速度約為4mm/s， 電弧電流為200-220A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對20鋼進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為1. 6mm的TiN增強鐵 基復合材料表面層，TiN增強相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖4)。6)將電弧熔覆處理部位進行機械加工至技術要求尺寸，測定其表面硬度平均為 HV795。7)采用銷盤式磨損試驗機對20鋼和TiN增強鐵基復合材料表面層的試樣進行對 比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高3. 4倍。實施例3 45鋼“TiN增強鐵基復合材料表面層”1)對45鋼基體工作部位用機械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為1mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機構上，或者人工手持焊槍，行走速度約為5mm/s， 電弧電流為220-240A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對45鋼進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為2mm的TiN增強鐵基 復合材料表面層，TiN增強相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖5)。6)將電弧熔覆處理部位進行機械加工至技術要求尺寸，測定其表面硬度平均為HV840。7)采用銷盤式磨損試驗機對45鋼和TiN增強鐵基復合材料表面層的試樣進行對 比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高2. 8倍。
實施例4 42CrMo鋼“TiN增強鐵基復合材料表面層”1)對42CrMo鋼基體工作部位用機械方法去除氧化膜，再用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。2)在基體工作部位表面預敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200目，采用水玻璃溶 液作為粘接劑，涂敷厚度為0. 6mm。3)放置24h后放入烘干箱，或用其他熱源加熱到150°C保溫2h。斷電冷卻至室溫 后進行氬弧熔覆。4)把氬弧焊槍固定在自動行走機構上，或者人工手持焊槍，行走速度約為3mm/s， 電弧電流為160-180A，控制搭接量約為30%。使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar 的比例為1 1，混合氣體的總流量為lOL/min。5)對42CrMo鋼進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為1. 3mm的TiN增 強鐵基復合材料表面層，TiN增強相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻(見圖6)。6)將電弧熔覆處理部位進行機械加工至技術要求尺寸，測定其表面硬度平均為 HV836。7)采用銷盤式磨損試驗機對42CrMo鋼和TiN增強鐵基復合材料表面層的試樣進 行對比試驗，表面層比鋼基體的耐磨性提高2. 1倍。
權利要求
一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層，其特征在于增強相為氮化鈦，氮化鈦以“原位生長”形式在鋼基體中長大，呈枝晶和顆粒形狀，分布均勻，與鋼基體為冶金結合。
2.一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層的加工方法，其特征在于在鋼基體表面預敷 一層純鈦粉末，采用氮氣與氬氣作為反應及保護氣體，用氬弧焊機獲得氮電弧，采用不同的 電弧電流及焊槍行走速度，對鋼基體表面進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理，以形成與基體結 合良好的TiN增強鐵基復合材料表面層。
3.根據權利要求2所述的加工方法，包括以下主要工藝步驟如下1)對鋼基體需處理的部位進行表面清理，去除氧化物和油污；2)在鋼基體表面預敷一層純鈦粉末，純鈦粉粒度為200-300目，采用水玻璃溶液為粘 接劑，涂敷后壓實壓平，涂敷厚度為0. 5-1. Omm ；3)放置24h后放入烘干箱，加熱到150°C保溫2h，斷電冷卻至室溫后，準備進行熔覆；4)用氬弧焊槍對工件進行電弧熔覆處理，行走速度為2-5mm/s，電弧電流為140-240A， 控制每道間的搭接量約為30%，使氮電弧熔覆表面層組織性能均勻，表面平整；5)使用氣體混合配比器控制N2與Ar的比例，調節電弧氣氛中氮氣分壓，混合氣體的總 流量為10L/min ；6)對鋼基體進行預敷鈦粉氮電弧熔覆處理后，可以獲得厚度為l_2mm的TiN增強 鐵基復合材料表面層，TiN增強相呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻，表面硬度達到 HV760-840。
全文摘要
本發明公開一種氮化鈦增強鐵基復合材料表面層及其加工方法，在鋼基體表面預敷一層純鈦粉末，烘干后用氮電弧直接加熱，使純鈦粉末與鋼基體表面局部熔化，熔池中的Ti與來自電弧氣氛的N元素發生氮化反應Ti+N→TiN，原位生成的TiN作為增強相與鋼基體組成鐵基復合材料。采用本發明預敷鈦粉氮電弧熔覆處理方法，在鋼基體表面制備厚度為1-2mm的TiN增強鐵基復合材料表面層。TiN增強相為“原位”生長，與鋼基體為冶金結合，呈枝晶和顆粒狀，在鋼基體中分布均勻，可以明顯提高鋼基體的表面硬度和耐磨性。
文檔編號C23C24/10GK101798684SQ20101013585
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者任振安, 張寶昌, 徐文曉, 王亞男 申請人:長春工業大學