CN102808147A - 金属碳化物陶瓷覆层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属碳化物陶瓷覆层及其制备方法。该金属碳化物陶瓷覆层，由钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土催化剂混合所得合金粉体，在高温下经过固体气相扩散渗透形成于基材表面的金属碳化物陶瓷覆层；所述钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土催化剂按重量份数计混合，比例范围：钒铁粉40~60％、碳化铌粉5~15%、钛铁粉5~15％、铝粉2~3％、SN充填剂15~23%和氯化稀土2~5%。所得钒钛合金碳化物陶瓷覆层，表面硬度高达2200～3800HV0.1，所述金属碳化物陶瓷覆层具有超过硬质合金的高硬度和非常低的摩擦系数。

Description

金属碳化物陶瓷覆层及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料表面工程领域，特别涉及一种金属碳化物陶瓷覆层及其制备方法。

背景技术

上世纪70年代日本丰田中央研究所研制出了一种热扩散法碳化物覆层处理技术（Thermal Diffusion Carbide Coating Process）我国也称作“熔盐渗金属”。该技术由日本引入世界各地的许多国家，美国、韩国等国都已得到广泛的应用。但这些工艺用到诸如发动机链条这类小零件上有很多问题需要解决，例如零件相互接触的部位不易均匀渗覆。美国、日本等工业发达国家自20世纪80年代以来也先后建立了超硬覆层技术研究中心，90年代此技术在国外进入工业化应用阶段，并把该项技术大量用于模具制造业。

国外发达国家的实践证明，高耐磨金属碳化物陶瓷覆层用于模具能大幅提高模具的使用寿命。例如在日本，80%的汽车冲压模具都应用了金属碳化物覆层技术；又如在美国Arvin TD中心，目前为400多家客户提供金属碳化物耐磨覆层处理加工服务，其中超过70%的客户来自汽车制造业。近年来，金属碳化物覆层技术在澳大利亚、韩国、我国台湾等地也开始得到广泛的应用。2002年美国国家能源部将高硬度金属碳化物覆层技术列为NICE3(National Industrial Competitiveness Through Energy，Environment，and Economics)资助项目，并在宾州建立了两个工业化应用示范基地。

早在上世纪70年代我国已经开始研究金属碳化物覆层技术，但是国内的研究成果大多没有经过长时间生产的考验，应用中总是存在这样或那样的问题，所以从70年代至90年代，尽管研究的人很多，但没有一家专业从事该项技术加工的厂家。随着时间的迁移，科学技术的不断发展，目前用于生产实践的高硬度耐磨蚀覆层制备方法主要有气相沉积（PVD和CVD）、化学镀（镀NI-P合金等）和金属碳化物熔盐扩散法（日本丰田法）等。上述工艺方法由于存在着诸如设备昂贵、工艺复杂、覆层附着强度差、工业化生产效率低等缺点，应用范围受到较大的局限，往往不能满足工业化生产的需求，特别是对于量大面广的小型通用耐磨蚀零部件，例如汽车、摩托车、印刷、纺织及食品加工机械的耐磨耐蚀精密配合件等，需要采用特别的覆层工艺和设备。

高耐磨金属碳化物陶瓷覆层技术是近十多年来材料表面工程领域的研究热点，是在机械制造行业具有广阔应用前景的先进制造技术。以往汽车发动机多采用正时皮带传动。近年来，汽车发动机的正时传动、机油泵传动、平衡轴传动等越来越广泛地采用了链传动系统，因其具有结构紧凑、传递功率高、可靠性与耐磨性高、噪声小、设计型式多样、终身免维护等显著优点，克服了齿轮传动和皮带传动性能上的某些先天不足，并给汽车最终用户增添了新的使用价值，日益显示出其广阔的市场应用前景。随着对发动机性能要求的提高，新型齿型无声链条代替正时皮带已成为必然趋势。

普通正时链条多采用渗碳或碳氮共渗工艺，零件表面硬度最高为750～850HV0.1，不能满足对发动机链条耐磨性能的要求。目前，国外发动机正时链条已普遍采用碳化铬覆层工艺，表面硬度可达到1200～1500HV0.1。美国和日本近年来开发的碳化钒和铬钒合金碳化物陶瓷覆层已用于自动变速箱汽车链条，表面硬度达到1800HV0.1以上。

发明内容

本发明目的在于提供一种应用于精密发动机链条部件的金属碳化物陶瓷覆层及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种金属碳化物陶瓷覆层，将钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合得到合金粉体；

所述合金粉体经高温固体气相扩散渗透形成于基材表面的金属碳化物陶瓷覆层；

所述钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土催化剂按重量份数计混合，比例范围：钒铁粉40~60％、碳化铌粉5~15%、钛铁粉5~15％、铝粉2~3％、SN充填剂15~23%和氯化稀土2~5%。

根据本发明的另一个方面，提供一种金属碳化物陶瓷覆层的制备方法，包括：

将零件基材置于钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉和SN充填剂混合所得合金粉体中，而后加入氯化稀土，利用高温密封加热，经固体气相扩散渗透于基材表面形成覆层厚度10~20微米金属碳化物陶瓷覆层。

将所述零件基材浸没于钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉混合所得合金粉体中并加入SN充填剂和氯化稀土，而后置于耐热钢密封旋罐中并放入旋转加热炉内，旋转加热至以960℃并保温6～8小时，自然冷却后待炉温降至300℃以下将耐热钢密封罐取出，并将零件从罐中掏出清洗，然后根据零件材料所需的淬火温度（850℃~1050℃）加热炉加热保温后，倒入水或油中淬火，最后回火并抛光。

钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土催化剂按重量份数计混合，比例范围：钒铁粉40~60％、碳化铌粉5~15%、钛铁粉5~15％、铝粉2~3％、SN充填剂15~23%和氯化稀土2~5%。

所述制备所得金属碳化物陶瓷覆层广泛应用于精密发动机链条部件表面、精密零件、磨具。

本发明所具有的优点：本发明所得钒钛合金碳化物陶瓷层，表面硬度高达2200～3800HV0.1，所述金属碳化物陶瓷层具有超过硬质合金的高硬度和非常低的摩擦系数，通过实际应用证明，可大幅度提高金属的耐磨性、抗粘着性、抗拉伤性和耐腐蚀性等。通过本发明所得金属碳化物陶瓷层从提高生产效率、降低成本、节能、环保等方面带来可观的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供在金属碳化物陶瓷表面覆层图（由图显示表层耐磨耐腐蚀优于基体）。

图2为本发明实施例提供的不同含碳量的基体材料覆层厚度与加热时间的关系图，其中960℃加热。

图3为本发明实施例提供的不同含碳量的基体材料覆层厚度与加热温度的关系图，其中加热时间6~8h。

图4为本发明实施例提供的发动机高耐磨精密链传动件销轴覆层厚度与加热温度的关系图，其中加热时间6~8h，温度为960℃。

图5为本发明实施例提供的VTi覆层优于其它工艺示图。

具体实施方式

实施例1

在发动机高耐磨精密链传动件上的应用

金属碳化物陶瓷覆层：经钒铁粉、钛铁粉、碳化铌、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合所得合金粉体，经高温固体气相扩散渗透形成于基材表面形成金属碳化物陶瓷覆层；所述合金粉体按重量份数计混合，具体50％钒铁粉、10%碳化铌粉、10％钛铁粉、5％铝粉、23%SN充填剂和2%氯化稀土。SN充填剂由碳化硼、氯化钠、氟化钠、铝粉和二氧化硅按一定比例混合而成，具体比例：碳化硼20~30%、氯化钠20%、氟化钠20%、铝粉10~20%和二氧化硅20%。

金属碳化物陶瓷覆层制备方法：

将所述零件基材浸没于钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合后所得合金粉体中，而后置于高温旋转式加热炉内，炉内通入工业氮气（氮气含量≥90%，通入量0.025~0.1m³/h）以960℃旋转加热保温8小时后从加热罐取出并让其自然冷却，然后将零件洗净再加热到1050℃，而后倒入水或油中淬火，最后回火并抛光。

将上述于发动机高耐磨精密链传动件上的覆层在表面维氏硬度计下检测，其销轴表面硬度:2200～2600HV0.1；销轴抗拉强度:提高50-100%；链条耐磨性:提高100-300%。

实施例2

在内燃机零部件上的应用，具体用于气门挺柱、凸轮轴、摇臂、活塞销等。

金属碳化物陶瓷覆层：经钒铁粉、钛铁粉、碳化铌、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合所得合金粉体，经固体气相扩散渗透于基材表面形成金属碳化物陶瓷覆层；上述合金粉体按重量份数计混合，具体45％钒铁粉、15%碳化铌粉、15％钛粉、3％铝粉、20%SN充填剂和2%催化剂。

金属碳化物陶瓷覆层制备方法：

将所述零件基材均匀浸没于将钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合后置于真空密封旋转式加热炉内，炉内通入工业氮气（氮气含量≥90%，通入量0.025~0.1m³/h），以960℃旋转加热8小时后从加热罐取出并让其自然冷却，然后将零件洗净再加热后倒入水或油中淬火，最后回火并抛光。

将上述于内燃机零部件，具体为气门挺柱、凸轮轴、摇臂、活塞销等的覆层在表面维氏硬度计下检测，其表面硬度:≥2200HV0.1；覆层厚度:10-20um；耐蚀性是304不锈钢的3倍。

实施例3

在纺织机械零件上的应用，具体适用于纺织钢领、钢圈、转杯、导纱钩、织针等。

金属碳化物陶瓷覆层：经钒铁粉、钛铁粉、碳化铌、铝粉、SN充填剂、氯化稀土混合所得合金粉体，经固体气相扩散渗透于基材表面形成金属碳化物陶瓷覆层，上述原料按重量份数计，具体比例：钒铁粉50％、碳化铌粉5%、钛铁粉15％、铝粉5％、SN充填剂23%和氯化稀土催化剂2%

金属碳化物陶瓷覆层制备方法：

将所述零件基材均匀浸没于钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合粉体中，置于真空密封旋转式加热炉内，炉内通入工业氮气（氮气含量≥90%，通入量0.025~0.1m³/h），以960℃旋转加热8小时后从加热罐取出并让其自然冷却，然后将零件洗净再加热后倒入水或油中淬火，最后回火并抛光。

上述于纺织机械零件，具体适用于纺织钢领、钢圈、转杯、导纱钩、织针等内燃机零部件上的覆层在表面维氏硬度计下检测，其表面硬度:≥2200HV0.1；覆层厚度:5-15um；耐蚀性是304不锈钢的3倍。

上述各实施例制备的覆层厚度为5～20μm，随着处理温度和时间的不同，覆层厚度变化(如图2、图3及图4)所示。

在上述各实施例选择不同覆层工艺参数对40Cr、35CrMo、50CrV、75、80钢等不同材料处理后进行的覆层结构分析及耐磨损试验结果表明，采用本发明获得钒钛合金碳化物陶瓷层，其结构由外表层和过渡层组成，总厚度在5～20μm范围。经X射线衍射分析，得知合金碳化物陶瓷层外表层结构为(V，Ti)8C7，次表层为V8C7。对本发明钒钛合金覆层试样与碳化铬覆层试样、碳氮共渗试样进行相同参数的磨损试验结果表明本发明钒钛合金碳化物覆层具有很好的抗磨损耐蚀性能（见表1数据），对比渗C、渗N、渗B、渗C硬度比较，见图5所示。

表1三种表面覆层的耐磨性能比较（其中，测试条件：速率0.5m/s，荷重2kg，行程600m）

Claims (6)

1.一种金属碳化物陶瓷覆层，其特征在于：

将钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土混合得到合金粉体；

所述合金粉体经高温固体气相扩散渗透形成于基材表面的金属碳化物陶瓷覆层；

所述钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土催化剂按重量份数混合比例范围：钒铁粉40~60％、碳化铌粉5~15%、钛铁粉5~15％、铝粉2~3％、SN充填剂15~23%和氯化稀土2~5%。

2.根据权利要求1所述的金属碳化物陶瓷覆层，其特征在于，所述SN充填剂包括：

碳化硼20~30%、氯化钠20%、氟化钠20%、铝粉10~20%和二氧化硅20%。

3.一种权利要求1或2所述的金属碳化物陶瓷覆层的制备方法，其特征在于，包括：

将零件基材置于钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉和SN充填剂混合所得合金粉体中，而后加入氯化稀土，利用高温密封加热，经固体气相扩散渗透于基材表面形成覆层厚度10~20微米金属碳化物陶瓷覆层。

4.根据权利要求3所述的金属碳化物陶瓷覆层的制备方法，其特征在于：

将所述零件基材浸没于钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉混合所得合金粉体中并加入SN充填剂和氯化稀土，而后置于耐热钢密封旋罐中并放入旋转加热炉内，旋转加热至以960℃并保温6～8小时，自然冷却后待炉温降至300℃以下将耐热钢密封罐取出，并将零件从罐中掏出清洗，然后在850℃~1050℃的加热炉里加热保温后，倒入水或油中淬火，最后回火并抛光。

5.根据权利要求3或4所述的金属碳化物陶瓷覆层的制备方法，其特征在于：

钒铁粉、钛铁粉、碳化铌粉、铝粉、SN充填剂和氯化稀土催化剂按重量份数计混合，比例范围：钒铁粉40~60％、碳化铌粉5~15%、钛铁粉5~15％、铝粉2~3％、SN充填剂15~23%和氯化稀土2~5%。

6.根据权利要求3或4所述的金属碳化物陶瓷覆层的制备方法，其特征在于：

所述制备所得金属碳化物陶瓷覆层广泛应用于精密发动机链条部件表面、精密零件、磨具。

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