[发明专利]钛上镀氮化物层的方法

说明书

本发明涉及在由钛和钛合金构成的工件上，通过在加压和500℃以上温度下，用氨或含氨气体混合物对工件进行热化学处理的氮化物层镀覆方法。

作为结构材料，钛比钢具有某些优点，即比重小、耐腐蚀及强度高。另一方面，则由于其硬度较低而需要进行表面处理来提高耐磨性。这种表面处理通常是形成碳化钛或氮化钛层。迄今，对由钛和钛合金构成的工件进行氮化的已知方法包括，使用高能气体或电磁场。这些方法非常昂贵，而且只能用于几何形状简单的工件。

在联邦德国专利说明书DE-PS1796212中，提到了在氨气氛中，于较高温度和常压下，通过生成氮化物层的钛表面硬化方法。

尽管这一方法旨在制备相当厚的硬覆层，但由于牵涉到氢扩散使工件中心部分变脆，而根本不合实用。

EP-A-0105835提及一种在钛和钛合金构成的工件上制备氮化物层的方法，该方法是在高压釜中，将这类工件暴露于压力至少10MPa和温度至少200℃的氨气氛来进行的。在此情况下，氨必须很纯。这种氮化，优先在90-130MPa压力及930-1000℃温度下进行。该方法的缺点是，由于使用高压釜和很纯的氨而非常昂贵，并且在三小时或三小时以上的时间后，仅能得到20μm厚的覆层。

因而，本发明的目的是要研制一种在由钛和钛合金构成的工件上，于加压和500℃以上温度下，通过用氨或含氨气体混合物对这些工件进行热化学处理，来镀覆氮化物层的方法，该方法不但经济，而且可以在相当短的时间内形成20μm或更厚的氮化物层。

按照本发明，通过在500-1000℃温度及0.2-10MPa压力下（在该情况下氨分压至少必须为0.2MPa）进行处理而达到了这一目的。

温度为700-950℃和压力为0.5-7MPa（在此情况下氨分压要须至少为0.2MPa）已被证明特别有利。

使用这种加压处理，可以在箱式炉中向任何形状和尺寸的钛和钛合金部件提供20μm或20μm以上足够厚的氮化物层。意外的是，根本不需极其纯的气体，正常商业级的氨即已足够。此外，可以将氮与氨混合，在该情况下，进行氮化处理仅需要至少为0.2MPa的氨分压。

在广泛的压力范围内，所生成的氮化钛层厚度，取决于温度和处理的持续时间。处理后的表面为金色，并使硬度显著提高。在压力高于6MPa范围时，覆层的厚度几乎与压力无关。

曲线图表明，纯钛工件上氮化钛层的生成量，是含氨气氛压力和温度的函数。

甚至在500℃温度时，例如在2MPa（＝20巴）绝对压力下，1小时后测得10μm厚的TiN层。在880℃下，此时生成20μm的纯TiN层。

在6MPa（＝60巴）压力时，例如若将样品在880℃下保持1小时，则生成30μm的TiN层。

压力进一步增至9MPa（＝90巴）时，压力对TiN层厚度的影响减小。厚度增加不再成线性。在甚至更高的压力下，由于迅速形成致密的TiN层，只有氮透过该层的扩散才是决定时间的因素。

按处理纯钛的同样方法，也可以将钛合金，例如TiAl₆V₄氮化。

这些镀覆方法，根本不需高压釜，而处理却可以在标准工业箱式炉中进行。