[发明专利]一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法

说明书

技术领域：

本发明公开一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法，属于金属表面材料制备及表面加工技术领域。

背景技术：

金属基复合材料(MMCS)具有高比强度、高比模量、耐磨、耐高温等性能，特别是颗粒增强金属基复合材料具有成本低，制备工艺相对简单，后续加工方便等优点，应用前景更为广泛。颗粒增强金属基复合材料主要以Al、Cu、Ni、Ti、Fe为基体材料，常用的增强颗粒为碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硫化物或其复相体系。颗粒增强铁基表面复合材料主要有WC、TiC和VC增强铁基耐磨复合材料，Cr₃C₂增强铁基耐热复合材料等。可以采用铸造烧结法，激光涂覆法和燃烧合成法制备内生颗粒增强铁基表面复合材料。

铸造烧结法是将一定配比的合金粉末压坯贴在铸型表面，利用浇注过程中金属熔液的热量引发压坯高温化学反应，生成大量陶瓷颗粒，同时完成烧结致密化，获得在铸件表面烧结而成的表面复合材料。利用铸造烧结法，可以在钢铸件上形成3～4mm厚的VC增强Fe基表面复合材料，基体组织为马氏体，铸态硬度为57HRC。(复合材料学报/2002，17(1)//71-75)

通过激光熔覆，可以在中碳钢基体上制备原位析出ZrC、TiC、WC复合碳化物颗粒增强的铁基表面复合材料，(应用激光/2002，22(2)//109-112)在45钢表面制备出原位合成TiB₂陶瓷颗粒增强的Ni基复合材料涂层，涂层是由粘结金属Ni基体和弥散分布于其中原位合成的稳定和亚稳定硬质颗粒增强相组成。(材料热处理学报/2005，26(1)//70-73)。

燃烧合成法利用外部能量诱发高放热化学反应体系燃烧，体系在自身释放热量的支持下，形成以一定速度蔓延的固态燃烧波，使原始混合物反应形成所需产物，燃烧波蔓延至整个反应体系后反应结束。反应温度高是燃烧合成技术的特征，借助不同的反应体系，可在铁基材料表面原位合成各种增强相，从而制备出铁基表面复合材料。李文戈等利用燃烧合成技术在普通钢管内壁原位制备了2～3mm厚的Al₂O₃陶瓷涂层，涂层耐磨性极佳，在生产实践中得到了很好的应用。(石油化工设备/2003，32(6)//7-9)也可在A3碳钢表面原位合成增强相为Cr₃C₂和AlN的复相陶瓷涂层，涂层与基体之间为冶金结合，在干摩擦条件下，耐磨性约为碳钢基体的三倍。(中国有色金属学报/2003，13(4)//968-973.)

此外，宋思利等人采用氩弧熔敷法，通过在Fe基自熔合金粉末中添加一定比率的石墨和强碳化物形成元素Ti，在中碳钢基体上制备出原位形成的TiC颗粒增强Fe基复合材料涂层。(焊接学报/2006，27(2)//39-42)

除了上述采用各种碳化物、氧化物作为增强相的铁基复合材料表面层以外，还经常用TiN作为增强相，采用气体渗氮、等离子渗氮、离子注入、物理气相沉积(PVD)及化学气相沉积(CVD)、激光气体氮化等技术，制备TiN涂层或TiN增强表面复合材料。例如，利用激光在Ti6Al4V合金表面原位制备TiN枝晶增强梯度金属基复合材料表面层，表面层沿激光熔化深度具有明显的梯度结构，与Ti6Al4V基体之间为良好的冶金结合，显著提高了表面硬度及耐磨性。(功能材料/2004，35(6)//771-773)

用等离子复合渗镀合成氮化钛的方法可以在Q235钢表面制备Ti基TiN颗粒复合材料表面层。首先，利用辉光放电溅射将针状钛丝的钛元素以离子、原子的形式溅射出来，在钢试样表面形成钛合金扩散层。然后，在气氛室中及合适温度下，进行渗氮和氮化钛的复合渗镀过程。(材料工程/2007年11期//66-70，75)

但是，铸造烧结法得到的表面层较厚，浪费材料；激光涂覆法制备成本较高；燃烧合成法对反应物有严格要求，必须为高放热化学反应体系；而且这几种方法主要用于制备各种碳化物增强的表面复合材料。氩弧熔敷法也用于制备碳化物增强的表面复合材料，电弧气氛不参加增强相合成反应。气体渗氮、等离子渗氮、离子注入、物理及化学气相沉积等方法制备的氮化层很薄；激光气体氮化方法制备成本较高。

发明内容：

本发明公开一种氮化钛增强铁基复合材料表面层及其加工方法，在钢零件表面制备一种氮化钛增强表面层，可使铁基复合材料表面层性能进一步提高，解决钢的耐磨性能差的问题。