[发明专利]以TiO2和N2气体为组元的离子弧诱导金属表层复合TiN强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面强化处理工艺技术领域。

背景技术

氮化钛（TiN)是一种非计量化合物，同时具有金属晶体和共价晶体的特点，熔点高达2955℃。作为表面涂层，TiN具有高硬度、耐磨损、耐高温、抗热震、摩擦系数低等优良的综合力学性能，是目前研究和应用最为广泛的薄膜材料之一。TiN作为涂层成功地应用于刀具、钻头等工具上，被认为是金属切削刀具技术发展史上的一次革命。

TiN涂层的制备技术目前主要是物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积(CVD)。PVD 法形成温度较低、涂层较薄，与基体的结合强度低，涂层易于从基底剥落，且绕镀性较差。CVD法沉积温度高，但超过了绝大多数常用刀具材料的热处理温度，因而可用来进行镀层的刀具材料种类极为有限；其次，CVD 以氯化物为原料，需要一套提供制备含Ti 卤化物气体的设备，工艺复杂，成本较高，与目前提倡的绿色工业相抵触。

不论是PVD法还是CVD法，所获得的TiN涂层都较薄，厚度只有几个微米（μm），并且涂层与基体是机械结合，结合面强度低，使用中涂层易发生剥落。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种碳素结构钢表面TiN强化技术，可以使碳素结构钢表面层原位复合生成TiN，从而对碳素结构钢表面进行强化与提高耐磨性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

在金属表面敷以TiO₂粉末，在N₂气体氛围下，用等离子弧在敷TiO₂粉末的金属表面进行扫描。

通过以上方法可以在金属表层原位复合生成TiN，实现对金属表面的强化与提高耐磨性。

本发明具有以下优点：

1、TiN是在金属表层原位复合生成，而不是在表面沉积，因此不存在涂层与基体的结合力问题；

2、原位复合有TiN的金属表层厚度可达500至600微米，显微硬度可达HV1700至HV1800以上，因此即使表面在使用过程中有微磨损，仍然具有很好的硬度和耐磨性；

3、反应组元为TiO₂和N₂气体，以等离子弧为能量源，不会对环境造成任何污染，是一种环保的金属表面强化与耐磨方法。

另外，本发明所述TiO₂为工业纯TiO₂，所述TiO₂粉末涂敷的厚度为1.5～2毫米。

本发明可以针对不同的金属选择不同的各参数，以达到最佳的效果。

N₂气体的流量为10～14L/min。

等离子弧的扫描速度为400～600mm/min，等离子弧电流为30～60A。

等离子弧的流量为12～18L/min

具体实施方式

    一、对Q235A、20钢、40钢、45钢、20G、20Mn、40Mn和60Mn碳素结构钢分别进行表面处理：

1、在碳素结构钢表面敷以工业纯TiO₂粉末，厚度为1.5毫米；

2、随等离子弧移动，通以氮气，氮气流量为10L/min；

3、等离子弧以400mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为45A；等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为16 L/min。

4、检测结果：

在碳素结构钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiN层，显微硬度可达HV1700。

二、对20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金结构钢分别进行表面强化处理：

1、在合金结构钢表面敷以工业纯TiO₂粉末，厚度为1.5毫米；

2、随等离子弧移动，通以氮气，氮气流量为10L/min；

3、等离子弧以400mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为30A；等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为12 L/min。

4、检测结果：

在合金结构钢表层原位复合生成厚度可达500微米的TiN层，显微硬度可达HV1750。

三、对65Mn、60Si2Mn和50CrVA弹簧钢分别进行表面强化处理：

1、在弹簧钢表面敷以工业纯TiO₂粉末，厚度为2毫米；

2、随等离子弧移动，通以氮气，氮气流量为14L/min；

3、等离子弧以600mm/min速度进行扫描，等离子弧电流为40A,；等离子弧以氮气作为保护气和等离子气源，流量为14 L/min。