[发明专利]过渡金属表面盐浴碳化制备碳化物涂层的方法

说明书

本申请公开了过渡金属表面盐浴碳化制备碳化物涂层的方法。本方法采用氯化物熔融态熔盐作为电解质，添加碳源，由于过渡金属基体材料与碳化钙与碳从热力学方面均具有自发反应的优势条件，在碳势的驱动下，仅在盐浴浸泡状态下就可发生碳化反应，获得一种相对低温、低成本，简单高效的制备工艺方法。

技术领域

本申请涉及冶金的技术领域，尤其涉及过渡金属表面盐浴碳化制备碳化物涂层的方法。

背景技术

过渡金属碳化物是一类具有很高的熔点、硬度、极高的热稳定性和机械稳定性，在室温下几乎耐各种化学腐蚀等特点的物质。此外，它还具有与母体金属想类似的电、磁性质，正是这些性质使得它们被广泛应用于各种耐高温、耐摩擦和耐化学腐蚀等领域，机械切削、矿物开采，制造抗磨和高温部件以及核反应堆等领域。有些还具有特殊的光、电、磁、超导、热学、催化等性能，是一种极富潜力的非氧化物高温结构材料、电子材料和催化新材料。

由于碳化物的广泛应用，对碳化物的制备方法的研究也成了热点。通过对国内外碳化物制备文献的查阅，碳化物合成方法主要有高温碳化法、机械合金化法、化学气相沉积法、高温自蔓延合成法和高温熔盐技术制备法。碳化合成在较低的温度下，反应速率受到动力学不利的限制，并且会限制渗碳反应及渗碳层的厚度。而且在制备异型器件时，由于工艺方法的受限，均存在涂层不均匀及制备成本过高等问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供过渡金属表面盐浴碳化制备碳化物涂层的方法，能够克服现有技术存在的反应温度高、反应不均，难以控制的问题。

本方法在具备高温加热，同时具备惰性气体保护的加热装置中进行。金属工件需要提前打磨抛光，有利于获得渗碳后的致密度和光洁度，然后使用酒精或丙酮超声波进行除油处理。使用无水氯化物无机盐作为电解质，添加CaC₂作为碳源，保证充分溶解。金属基底材料直接至于熔融电解质中，经过盐浴浸泡处理进行碳化反应。

碳化过程首先为化学反应，2M+CaC₂＝2MC+Ca，热力学计算是自发反应。随着时间的持续，金属与碳原子互扩散。由于碳势的驱动力下，碳原子向金属一侧的扩散速度远大于金属向碳化物一侧的扩散，整个过程表现为碳化物涂层逐渐增厚。由于是自发反应，类似于原电池过程，阳极发生氧化反应，C₂^2-失去电子生成碳原子，方程式如下：C₂^2--2e＝2C。阴极发生还原反应，Ca²⁺得到电子生成Ca单质，方程式如下：Ca²⁺+2e＝Ca。Ca单质在富碳环境中可能生成碳化钙补充前面消耗的碳化钙。

本方法的关键是保证碳化钙的浓度保持稳定，但是由于碳化钙较为活泼，易于与气氛中的微量的氧气发生反应而消耗。常规的惰性气氛难以保证无氧的环境，本发明为解决该问题，在反应器中添加海绵钛，用于去除惰性气氛中微量的氧气。基于以上分析及实验，创立了本发明创造。

制备碳化物涂层的方法

本方法包含以下步骤：

(1)将过渡金属工件进行表面预处理；

(2)将熔盐进行烘干的预处理；

(3)使经过预处理的熔盐在添加碳源的条件下成为熔盐态，得到熔融盐；

(4)将所述过渡金属工件浸渍在所述熔融盐中，生成碳化物涂层；

(5)将所述过渡金属工件依次实施先清洗再干燥的后处理。

过渡金属工件

过渡金属工件的金属材质为Ta、W、Nb、Ti任意一种及任意几种的金属合金。

表面预处理