CN110387544A - 一种基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法 - Google Patents

一种基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，其技术方案是包括以下步骤：(1)先将基体表面进行打磨去除表面氧化物或异物，并清洗去除表面油污后吹干；(2)沉积基底涂层，通过电火花沉积工艺在基体表面制备基底涂层，该电火花沉积工艺所采用的电极的材质为Ni、Mo、Nb、Zr中的一种；(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层，采用电火花沉积工艺在步骤(2)加工后的基体表面沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层，本步骤电火花沉积工艺选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：50～65wt％，WC：10wt％，Mo2C：5～20wt％，Co：10wt％，Ni：10wt％。

Description

一种基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法
技术领域
本发明属于表面强化和表面改性领域，具体是涉及一种基于电火花沉积工艺的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法。
背景技术
随着现代制造业的高速发展，对机械设备及其零部件的表面性能提出了更高的要求，需要机械设备在高速、高载荷和磨损腐蚀等严苛条件能够稳定工作。据统计，世界各国每年因零部件失效导致的设备故障损失占到国民生产总值的3％，其中约80％的失效形式都和表面磨损、腐蚀和疲劳有关。因此，通过表面强化技术来提高零部件的表面性能，以延长其使用寿命，可以显著提高生产效率，节约生产成本。
电火花沉积技术是一种利用短时大电流脉冲在金属基体上沉积导电电极材料的微弧焊接工艺。涂覆过程中，电极和工件接触部位在几微秒到几十微秒不等的时间内产生温度高达8000～25000℃的高温微区，使电极材料部分熔化并转移到基体表面，形成特定功能的沉积层。电火花沉积的特点是能够获得致密的冶金结合，增强涂层和基体的结合强度。此外，该工艺对基体的热输入极低，不会使基体发生变形。因此在零部件表面强化和修复领域有着广泛的应用前景。
氮碳化钛金属陶瓷是一种由硬质相和金属(或者合金)粘结相组成的新型硬质材料，具有硬度高、导热率高以及摩擦系数低等优点，在涂层领域具有广泛的应用前景。现阶段相关人员制备Ti(C,N)涂层的方法有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热喷涂和电火花沉积等。采用PVD和CVD制备的涂层厚度较小，对工作环境要求严苛，成本高；采用热喷涂技术需要喷砂处理，对环境有污染，且涂层和基体结合力差，易发生疲劳脱落。采用电火花沉积制备金属陶瓷涂层具有操作灵活方便、成本低、涂层结合力强等优点，但也存在一些问题，如涂层内部存在残余热应力导致出现裂纹等缺陷。如高玉新等在高速钢上沉积Ti(C,N)涂层，硬度提高了两倍左右，但涂层存在纵向裂纹。
因此有必要对此进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，该方法通过采用强韧性较好的金属作为基底涂层，并在上面电火花沉积Ti(C,N)金属陶瓷硬质涂层，改善现有金属陶瓷涂层中广泛存在的热应力开裂等缺陷，提高涂层致密性和耐磨性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是包括：
(1)先将基体表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物，并用丙酮超声波清洗去除表面油污后吹干。
(2)沉积基底涂层：用于制备纯金属基底涂层的电极可选择Ni、Mo、Nb、Zr中的一种，电极直径为4mm，采用旋转电极型电火花沉积设备在基体表面制备基底涂层，发明人经过长期试验发现，该基底的作用主要是提高基体表面的韧性和耐腐蚀性，降低热应力开裂的可能性。沉积过程用氩气作为保护气体，具体工艺参数为工作电压：60V，输出功率500～1000W，脉冲频率：375～700Hz，保护气体气流：8～9L/min，电极伸出长度：10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5～7min/cm2。
(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层：本发明选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：50～65％，WC：10％，Mo2C：5～20％，Co：10％，Ni：10％，电极直径为5mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层，发明人经过试验发现该涂层具有较高硬度和耐磨性，可以起到表面强化作用。沉积过程用氩气作为保护气体，发明人在试验的基础上发现，电容和功率对沉积层的影响是通过改变输入能量实现的，过低的能量无法实现可靠的冶金结合，能量过高会导致附加的残余热应力。为了实现沉积层厚度、粗糙度和沉积速率都处于较佳状态，采用两步沉积法，每一步均在表面均匀沉积一层，第一步调整工艺参数为工作电压60V，输出功率300W，脉冲频率：700Hz；第二步工作电压为100V，输出功率1000W，脉冲频率375Hz，其余参数均固定不变，其中保护气体流量8～9L/min，电极伸出长度10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5～7min/cm2。
本发明的优点是：通过采用强韧性较好的金属作为基底涂层，并在上面电火花沉积Ti(C,N)金属陶瓷硬质涂层，改善现有金属陶瓷涂层中广泛存在的热应力开裂等缺陷，提高涂层致密性和耐磨性。
本发明作为机械零部件表面强化的一种方法，具有操作灵活、适用性强的优点，可用于不同材料、多种形状和尺寸的零部件表面强化，从而提升其使用寿命。制备的金属陶瓷复合涂层组织均匀致密，可以改善单层金属陶瓷涂层由于热膨胀系数不匹配导致的热应力开裂现象，且具备很好的耐磨性和减磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为电火花沉积金属陶瓷复合涂层的原理图；
图2为电火花沉积以Ni为基底的Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层截面硬度分布图；
图3为电火花沉积以Ni为基底的Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层XRD衍射图谱；
图4为电火花沉积以Ni为基底的Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层SEM图；
图5为火花沉积以Ni为基底的Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层摩擦系数。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
一种可以用于机械零部件表面强化的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，步骤如下：
(1)先将基体表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物，并用丙酮超声波清洗去除表面油污后吹干。
(2)沉积基底涂层：本实例选用Mo棒作为电极，其钼含量大于99.95％，电极直径为4mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备Mo基底涂层，沉积过程用氩气作为保护气体，调整工艺参数为工作电压：60V，输出功率1000W，脉冲频率：700Hz，保护气体气流：8L/min，电极伸出长度：10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5min/cm2。
(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层：本实例选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：65％，WC：10％，Mo2C：5％，Co：10％，Ni：10％，电极直径为5mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层。沉积过程用纯氩气作为保护气体，采用两步沉积法，每一步均在表面均匀沉积一层，第一步调整工艺参数为工作电压60V，输出功率300W，脉冲频率：700Hz；第二步工作电压为100V，输出功率1000W，脉冲频率375Hz，其余参数均固定不变，其中保护气体流量9L/min，电极伸出长度10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5min/cm2。
实施例2
一种可以用于机械零部件表面强化的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，步骤如下：
(1)先将基体表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物，并用丙酮超声波清洗去除表面油污后吹干。
(2)沉积基底涂层：本实例选用Nb棒作为电极，其铌含量为99.95％，电极直径为4mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备Nb基底涂层，沉积过程用纯氩气作为保护气体，调整工艺参数为工作电压：60V，输出功率500W，脉冲频率：700Hz，保护气体气流：9L/min，电极伸出长度：10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为7min/cm2。
(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层：本实例选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：60％，WC：10％，Mo2C：10％，Co：10％，Ni：10％，电极直径为5mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层。沉积过程用纯氩气作为保护气体，采用两步沉积法，每一步均在表面均匀沉积一层，第一步调整工艺参数为工作电压60V，输出功率300W，脉冲频率：700Hz；第二步工作电压为100V，输出功率1000W，脉冲频率375Hz，其余参数均固定不变，其中保护气体流量9L/min，电极伸出长度10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5min/cm2。
实施例3
一种可以用于基体表面强化的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，步骤如下：
(1)先将基体表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物，并用丙酮超声波清洗去除表面油污后吹干。
(2)沉积基底涂层：本实例选用702Zr棒作为电极，其Zr含量大于99.6％，电极直径为4mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备Ni基底涂层，该基底的作用主要是提高基体表面的耐磨性，制备非晶基底涂层。沉积过程用纯氩气作为保护气体，调整工艺参数为工作电压：60V，输出功率1000W，脉冲频率：700Hz，保护气体气流：9L/min，电极伸出长度：10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为7min/cm2。
(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层：本实例选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：55％，WC：10％，Mo2C：15％，Co：10％，Ni：10％，电极直径为5mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层。沉积过程用纯氩气作为保护气体，采用两步沉积法，每一步均在表面均匀沉积一层，第一步调整工艺参数为工作电压60V，输出功率300W，脉冲频率：700Hz；第二步工作电压为100V，输出功率1000W，脉冲频率375Hz，其余参数均固定不变，其中保护气体流量9L/min，电极伸出长度10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5min/cm2。
实施例4
一种可以用于基体表面强化的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，步骤如下：
(1)先将基体表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物，并用丙酮超声波清洗去除表面油污后吹干。
(2)沉积基底涂层：本实例选用Ni201棒作为电极，其Ni含量大于99.9％，电极直径为4mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备Ni基底涂层，沉积过程用纯氩气作为保护气体，调整工艺参数为工作电压：60V，输出功率1000W，脉冲频率：700Hz，保护气体气流：9L/min，电极伸出长度：10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5min/cm2。
(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层：本实例选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：50％，WC：10％，Mo2C：20％，Co：10％，Ni：10％，电极直径为5mm。采用旋转电极式电火花沉积设备在基体表面制备沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层。沉积过程用纯氩气作为保护气体，采用两步沉积法，每一步均在表面均匀沉积一层，第一步调整工艺参数为工作电压60V，输出功率300W，脉冲频率：700Hz；第二步工作电压为100V，输出功率1000W，脉冲频率375Hz，其余参数均固定不变，其中保护气体流量9L/min，电极伸出长度10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5min/cm2。所得涂层的截面组织形貌、XRD衍射图谱、硬度分布以及摩擦系数曲线分别见附图2～5。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)先将基体表面进行打磨去除表面氧化物或异物，并清洗去除表面油污后吹干；
(2)沉积基底涂层，通过电火花沉积工艺在基体表面制备基底涂层，该电火花沉积工艺所采用的电极的材质为Ni、Mo、Nb、Zr中的一种；
(3)沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层，采用电火花沉积工艺在步骤(2)加工后的基体表面沉积Ti(C,N)金属陶瓷涂层，本步骤电火花沉积工艺选用Ti(C,N)基金属陶瓷作为电极，其原料成分为Ti(C，N)：50～65wt％，WC：10wt％，Mo2C：5～20wt％，Co：10wt％，Ni：10wt％。
2.根据权利要求1所述的基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中先将基体表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物，并用丙酮超声波清洗去除表面油污后吹干。
3.根据权利要求1所述的基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中电火花沉积工艺是通过旋转电极型电火花沉积设备进行实施，沉积过程用氩气作为保护气体，具体工艺参数为工作电压：60V，输出功率500～1000W，脉冲频率：375～700Hz，保护气体气流：8～9L/min，电极伸出长度：10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5～7min/cm2。
4.根据权利要求1所述的基于电火花沉积的氮碳化钛金属陶瓷复合涂层制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中电火花沉积工艺是通过旋转电极型电火花沉积设备进行实施，沉积过程用氩气作为保护气体，沉积采用两步沉积法，每一步均在表面均匀沉积一层，第一步调整工艺参数为工作电压60V，输出功率300W，脉冲频率：700Hz；第二步工作电压为100V，输出功率1000W，脉冲频率375Hz，其余参数均固定不变，其中保护气体流量8～9L/min，电极伸出长度10mm，电极旋转速度为1300r/min，沉积速率为5～7min/cm2。
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