CN102995012B - 以TiO2、碳酸铵和N2气体为组元的激光诱导金属表层复合TiN强化方法 - Google Patents
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Abstract
以TiO2、碳酸铵和N2气体为组元的激光诱导金属表层复合TiN强化方法，涉及金属表面强化工艺技术领域。在金属表面敷以TiO2与碳酸铵的混合粉末，在N2气体氛围中，用激光束在敷TiO2与碳酸铵的混合粉末的金属表面进行扫描。通过以上工艺，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工艺技术领域。
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、碳酸铵和N2气体为组元的激光诱导金属表层复合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与碳酸铵的混合粉末，在N2气体氛围中，用激光束在涂敷TiO2与碳酸铵的混合粉末的金属表面进行扫描。
通过以上工艺，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HV1700至HV1800，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、碳酸铵和N2气体，以激光为能量源，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。
所述TiO2为工业纯TiO2，所述工业纯TiO2与碳酸铵的混合质量比为7:3。
还可根据不同的金属材质选择以下不同的参数，以达到最佳效果。
所述TiO2与碳酸铵的混合粉末涂敷厚度为1.5～2毫米。
N2流量为8～10L/min。
所述激光束的扫描速度为400～600mm/min，激光功率为700～1200W，激光波长为1.06μm或10.6μm，光斑直径为2～3毫米。
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强化处理：
1、将工业纯TiO2粉末与碳酸铵以7:3的质量比混合，在碳素结构钢表面敷以厚度为1.5毫米工业纯TiO2与碳酸铵的混合粉末；
2、随激光光斑移动，通以氮气，氮气流量为8L/min；
3、激光光束以400mm/min速度进行扫描，激光功率为900W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。
4、检测：
在碳素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HV1700。
二、对20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金结构钢分别进行表面强化处理：
1、将工业纯TiO2粉末与碳酸铵以7:3的质量比混合，在合金结构钢表面敷以厚度为1.5毫米工业纯TiO2与碳酸铵的混合粉末；
2、随激光光斑移动，通以氮气，氮气流量为8L/min；
3、激光光束以400mm/min速度进行扫描，激光功率为700W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。
4、检测：
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强化处理：
1、将工业纯TiO2粉末与碳酸铵以7:3的质量比混合，在弹簧钢表面敷以厚度为2毫米工业纯TiO2与碳酸铵的混合粉末；
2、随激光光斑移动，通以氮气，氮气流量为10L/min；
3、激光光束以600mm/min速度进行扫描，激光功率为800W，激光波长为1.06μm，光斑直径为3毫米。
4、检测：
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强化处理：
1、将工业纯TiO2粉末与碳酸铵以7:3的质量比混合，在工具钢表面敷以厚度为1.5毫米工业纯TiO2与碳酸铵的混合粉末；
2、随激光光斑移动，通以氮气，氮气流量为8L/min；
3、激光光束以400mm/min速度进行扫描，激光功率为1000W，激光波长为10.6μm，光斑直径为3毫米。
4、检测：
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强化处理：
1、将工业纯TiO2粉末与碳酸铵以7:3的质量比混合，在高速钢表面敷以厚度为1.5毫米工业纯TiO2与碳酸铵的混合粉末；
2、随激光光斑移动，通以氮气，氮气流量为10L/min;
3、激光光束以500mm/min速度进行扫描，激光功率为1100W，激光波长为10.6μm，光斑直径为2毫米。
4、检测：
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强化处理：
1、在硬质合金表面敷以工业纯TiO2与碳酸铵（(NH3)2CO3）混合粉末，其质量比为7:3，厚度为2毫米；
2、随激光光斑移动，通以氮气，氮气流量为10L/min；
3、激光光束以600mm/min速度进行扫描，激光功率为1200W，激光波长为10.6μm，光斑直径为3毫米。
4、检测：
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 (2)
1.以TiO2、碳酸铵和N2气体为组元的激光诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于在金属表面涂敷TiO2与碳酸铵的混合粉末，在N2气体氛围中，用激光束在涂敷TiO2与碳酸铵的混合粉末的金属表面进行扫描；所述TiO2为工业纯TiO2，所述工业纯TiO2与碳酸铵的混合质量比为7:3；所述TiO2与碳酸铵的混合粉末涂敷厚度为1.5～2毫米；所述激光束的扫描速度为400～600mm/min，激光功率为700～1200W，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、碳酸铵和N2气体为组元的激光诱导金属表层复合TiN强化方法，其特征在于N2流量为8～10L/min。
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