CN101158041A - 金属表面形成ZrO2陶瓷复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，该方法通过双层辉光离子渗锆在金属表面形成锆梯度合金层，后通过氧化处理形成氧化锆与锆合金复合层。本发明简单实用，成本低廉，形成的表面ZrO₂陶瓷复合材料既具有金属材料良好的物理、力学性能，又具有ZrO₂陶瓷的优点，可用于耐磨损、耐高温及耐腐蚀领域，极具有市场潜力及应用价值。

Description

金属表面形成ZrO2陶瓷复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种等离子表面冶金的方法，尤其是一种在金属表面形成ZrO₂陶瓷与锆合金复合层的方法。

背景技术

氧化锆由于高硬度、高强度、耐磨损、耐高温及电绝缘等优良性能，是一种具有很大发展潜力的热障涂层材料。目前ZrO₂热障涂层常用的制备方法有等离子喷涂法、火焰喷涂法、低压等离子喷涂法、超音速等离子喷涂、激光束重熔等离子喷涂、爆炸喷涂等。其中，等离子喷涂是最常用的方法之一。热喷涂ZrO₂涂层具有多种优异性能，但仍然存在着孔隙率较高、易剥落、涂层不耐磨、耐腐蚀性差等缺点。利用离子渗锆及氧化复合处理在金属表面制备的ZrO₂陶瓷复合材料层不仅具有优良的抗氧化及耐磨损性能，而且由于复合层是在高温扩散相变形成，渗层组织均匀致密，与基体冶金结合，使用中不会出现剥落现象。

本发明金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法中的离子渗锆采用“双层辉光放电离子渗金属技术”(美国专利，专利号4731539)。该发明专利是在离子氮化的基础上，利用稀薄气体(Ar)中的辉光放电及溅射现象，将欲渗的合金元素组成的固态合金源极中的合金元素溅射出来，并吸附、扩散渗入到被辉光放电加热到高温的由导电物质组成的工件表面，从而在其表面形成具有特殊性能的表面合金层。

本发明专利与“双层辉光放电离子渗金属技术”发明专利不同之处是：“双层辉光放电离子渗金属技术”是在钢铁表面形成合金层，而本发明可以在不同金属材料表面形成氧化锆陶瓷和锆合金复合层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法。

本发明的目的是通过等离子渗锆和氧化复合处理工艺或方法实现在金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料。其技术特征在于将双层辉光离子渗锆方法与氧化处理方法相结合，在金属材料表面形成ZrO₂陶瓷与锆合金复合层。

本发明的基本原理为：首先在真空容器中通入氩气，进行离子渗锆，然后通入氧气进行氧化处理，在金属表面形成氧化锆与锆合金复合层。

本发明的具体方法步骤如下：

1.工艺设备要求

在可真空的容器中分别设置源极、阴极和阳极。源极由欲渗合金元素组成，阴极放置金属基材，阳极为炉壳。在阳极与阴极，阳极与源极之间各设置有0～1500V的可调直流电源。

2.源极制作

源极材料为冶金制作的99.999％的锆材，源极形状可根据需求加工成板状、柱状、状筒或丝状。

3.基材选择

与锆有一定固溶度的金属固体材料均可通过离子渗锆处理得到含锆合金层。通常基材选用碳钢、合金钢或复合金属材料。

4.双层辉光离子渗锆

渗锆前，抽真空并使真空度达1×10^-1Pa后，通入氩气，接通阴极电源，加入直流电压，在阴极与阳极之间产生辉光放电，加热基材到500℃～1000℃，并在该温度下对其表面进行预轰击。然后接通源极电源，加入直流电压，使阴极与阳极之间的电压在-300V～-700V范围，源极与阳极的电压在-700V～-1400V范围，利用阴极与源极之间产生空心阴极效应进行离子渗锆。离子渗锆过程中，源极中的锆由于氩离子的轰击被溅射出来，这些逸出源极表面的锆原子高速飞向金属表面，被金属表面所吸附，并在高温下扩散进入金属表层，形成含锆梯度合金层。合金层表面成分为纯锆，内部为锆合金层。保温时间1-5小时。

5.氧化处理

在金属表面形成锆梯度合金层后，断开源极电源。加入氧气，达到100Pa～3000Pa之间的工作气压，加入直流电压，阴极与阳极之间产生辉光放电，其电压在-300V～-1000V范围之间，进行低于1200℃氧化处理。氧化处理后，渗金属形成的合金层中的纯锆层转变为ZrO₂陶瓷材料，渗层内部的锆及基材组成元素与氧结合形成混合氧化物，在基材附近是锆与基材组成元素的扩散层。

本发明的工艺过程除用以上方法，即在同一真空容器中进行离子渗锆和氧化复合处理工艺过程外，也可以在离子渗锆工艺完成后将工件取出并将其放倒空气炉中进行氧化处理。

本发明的用途及优点：

1.ZrO₂陶瓷层具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温及电绝缘等优良性能，可在航空航天、军工、核反应、原子能以及化工等领域应用。

2.表面ZrO₂陶瓷和锆合金复合材料既具有金属良好的物理、力学性能，又具有ZrO₂陶瓷材料的优点与用途。

3.可一次性形成锆沉积层及锆合金渗层，渗层组织致密，成分可控，与金属基体结合牢固，使用时不易剥落。

4.本发明金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，工艺过程简单，节省能源，成本低廉，无环境污染。

具体实施方式

下面用实施例能够进一步详细说明本发明的技术特征。

实施例1

在TiSi30表面形成ZrO₂陶瓷和锆合金复合层(工艺过程分为两步)

第一步：将锆板固定在源极上，TiSi30工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。首先，抽真空达真空度1×10^-1Pa后，通入氩气至20Pa左右，接通阴极电源，在阳极与阴极间缓慢加入直流电压，当温度升至900℃时，进行预轰击30min。然后，将阴极电压调至-450V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压为-1000V，在900℃温度保温3h后，断开源极与阴极电源，使工件缓冷到室温。在TiSi30表面形成厚度约20μm的锆渗层，该合金层由厚为8μm锆沉积层(含少量Si)及12μm的Zr-Si-Ti合金层构成。

第二步：通入氧气，使真空度为250Pa后，接通阴极电源，在阴极与阳极之间加入直流电压，调阴极电压为-650V，升高温度到900℃，并保温3小时，即可获得由氧化锆(含少量氧化硅)陶瓷层，含锆、硅及钛的氧化物混合层和Zr-Si-Ti合金层构成的厚度约25μm复合材料层。

实施例2

在3Cr13或20钢表面形成ZrO₂陶瓷和锆合金复合层(工艺过程分为两步)

第一步：将锆板固定在源极上，3Cr13或20钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。首先，抽真空达真空度1×10^-1Pa后，通入氩气至20Pa左右，接通阴极电源，在阳极与阴极间缓慢加入直流电压，当温度升至860℃时，进行预轰击30min。然后，将阴极电压调至-400V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压为-900V，在900℃温度保温3h后，断开源极与阴极电源，使工件缓冷到室温。在3Cr13和20钢表面分别形成厚度约18μm和30μm的锆渗层。3Cr13钢表面合金层包括厚为8μm锆沉积层及10μm的Zr-Fe-Cr-C合金层，而20钢表面由13μm锆沉积层及17μm的Zr-Fe-C合金层构成。

第二步：通入氧气，使真空度为250Pa后，接通阴极电源，在阴极与阳极之间加入直流电压，调阴极电压为-650V，升温到900℃保温3小时，对于3Cr13钢可获得由氧化锆陶瓷层，含锆、铁及铬的氧化物混合层和Zr-Fe-Cr-C合金层构成的厚度约23μm复合材料层。对于20钢可获得由氧化锆陶瓷层，含锆及铁的氧化物混合层和Zr-Fe-C合金层构成的厚度约36μm复合材料层。

Claims (7)

1.金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，包括离子渗金属及氧化处理工艺或方法，其特征在于用锆源极对阴极的金属表面进行离子渗形成锆及锆合金层，渗锆时阴极与阳极间的电压：-300V～-700V，源极与阳极间的电压：-700V～-1400V，加热温度：500℃～1000℃，然后进行氧化处理，形成ZrO₂陶瓷复合材料层。

2.如权利要求1所述的金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，其特征在于金属是具有锆固溶度的金属固体材料。

3.如权利要求2所述的金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，其特征在于具有锆固溶度的金属固体材料是碳钢、合金钢或复合金属材料。

4.如权利要求1、2和3所述的金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，其特征在于锆是99.999％的锆材。

5.如权利要求1所述的金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，其特征在于锆材的源极形状是板状、柱状，筒状或丝状。

6.如权利要求1所述的金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，其特征在于氧化处理可以在真空容器中进行处理，也可以在空气炉中进行处理。

7.如权利要求1和6所述的金属表面形成ZrO₂陶瓷复合材料的方法，其特征在于在真空容器中进行氧化处理时，其工作气压：100Pa～3000Pa，电压：-300V～-1000V，温度：600℃～1200℃，时间：1h～5h。