CN102995009B - 一种激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法 - Google Patents
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Abstract
以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法，本发明涉及金属表面强化处理技术领域。在金属表面涂敷TiO2与尿素的混合粉末，在N2气体的氛围中，用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷TiO2与尿素的混合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。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面强化处理技术领域。
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以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法，可以使金属表面层原位复合生成TiN，从而对金属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：
在金属表面涂敷TiO2与尿素的混合粉末，在N2气体的氛围中，用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷TiO2与尿素的混合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HV1750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、尿素和N2气体，以激光叠加钨极气体保护电弧为能量源，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，对于不同的金属，本发明所述TiO2为工业纯TiO2，TiO2与尿素的混合质量比为6:4。
在金属表面涂敷的所述TiO2与尿素的混合粉末厚度为1.5～2毫米。
所述N2气体的流量为7～11L/min。
在所述扫描时，激光光束垂直照射在金属表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
激光叠加钨极气体保护电弧以400～600mm/min的速度进行扫描，激光功率为100～200W，激光波长为1.06μm或10. 6μm，光斑直径为2～3毫米。
所述钨极气体的流量为7L/min，电弧电流为20～30A。
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与尿素（(NH2)2CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为7L/min。
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描，激光功率为200W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为30A。
6、经检测结果，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。
二、对20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金结构钢分别进行表面处理：
1、在合金结构钢表面敷以工业纯TiO2与尿素（(NH2)2CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为7L/min。
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描，激光功率为100W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为20A。
6、经检测结果，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处理：
1、在弹簧钢表面敷以工业纯TiO2与尿素（(NH2)2CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为2毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为11L/min。
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4、激光叠加钨极气体保护电弧以600mm/min速度进行扫描，激光功率为100W，激光波长为1.06μm，光斑直径为3毫米。
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为30A。
6、经检测结果，在弹簧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HV1800。
四、对T8A、T9A、T10A、T11A、9SiCr、Cr12MoV和3Cr2Mo工具钢分别进行表面处理：
1、在工具钢表面敷以工业纯TiO2与尿素（(NH2)2CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为7L/min。
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描，激光功率为100W，激光波长为10. 6μm，光斑直径为3毫米。
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为25A。
6、经检测结果，在工具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HV1800。
五、对W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Al高速钢分别进行表面处理：
1、在高速钢表面敷以工业纯TiO2与尿素（(NH2)2CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为1.5毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为11L/min。
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4、激光叠加钨极气体保护电弧以500mm/min速度进行扫描，激光功率为200W，激光波长为10. 6μm，光斑直径为2毫米。
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为30A。
6、经检测结果，在高速钢表层原位复合生成厚度可达600微米的TiN层，显微硬度可达HV1800。
六、对YG3X、YG6X、YK15、YG20、YT15、YS25、YW1、YW2和YL10硬质合金分别进行表面处理：
1、在硬质合金表面敷以工业纯TiO2与尿素（(NH2)2CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为2毫米。
2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为11L/min。
3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4、激光叠加钨极气体保护电弧以600mm/min速度进行扫描，激光功率为200W，激光波长为10. 6μm，光斑直径为3毫米。
5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为35A。
6、经检测结果，在硬质合金表层原位复合生成厚度可达600微米的TiN层，显微硬度可达HV1800。
Claims (4)
1.以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于在金属表面涂敷TiO2与尿素的混合粉末，在N2气体的氛围中，用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷TiO2与尿素的混合粉末的金属表面进行扫描；所述TiO2为工业纯TiO2，TiO2与尿素的混合质量比为6:4；在金属表面涂敷的所述TiO2与尿素的混合粉末厚度为1.5～2毫米；激光叠加钨极气体保护电弧以400～600mm/min的速度进行扫描，激光功率为100～200W，激光波长为1.06μm或10. 6μm，光斑直径为2～3毫米。
2.根据权利要求1所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述N2气体的流量为7～11L/min。
3.根据权利要求1所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于在所述扫描时，激光光束垂直照射在金属表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。
4.根据权利要求3所述以TiO2、尿素和N2气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于所述钨极气体的流量为7L/min，电弧电流为20～30A。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Hui Inventor after: Tong Han Inventor after: Zuo Jianmin Inventor after: Zhang Rongrong Inventor after: Xiao Shengliang Inventor before: Wang Hui Inventor before: Zuo Jianmin Inventor before: Zhang Rongrong Inventor before: Tong Han Inventor before: Xiao Shengliang |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WANG HUI ZUO JIANMIN ZHANG RONGRONG TONG HAN XIAO SHENGLIANG TO: WANG HUI TONG HAN ZUO JIANMIN ZHANG RONGRONG XIAO SHENGLIANG |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201109 Address after: 226600 Sijin Industrial Concentration Zone, Baidian Town, Haian City, Nantong City, Jiangsu Province Patentee after: NANTONG OUTPACE BUILDING MATERIAL EQUIPMENT Co.,Ltd. Address before: Gehu Lake Road Wujin District 213164 Jiangsu city of Changzhou province No. 1 Patentee before: CHANGZHOU University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220428 Address after: 226600 group 6, fushe village, Baidian Town, Hai'an City, Nantong City, Jiangsu Province Patentee after: Haian chaoming New Material Co.,Ltd. Address before: 226600 Sijin Industrial Concentration Zone, Baidian Town, Haian City, Nantong City, Jiangsu Province Patentee before: NANTONG OUTPACE BUILDING MATERIAL EQUIPMENT CO.,LTD. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141126 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |