CN1740380A - 金属－陶瓷复合材料制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是利用高密度、高能量、强辉光离子，完成向金属材料中渗入陶瓷的复合材料制造技术。本发明的原理是利用低气压辉光放电及溅射原理，首先在碳钢、合金钢或铜、铜合金、镍、镍合金、钴、钴合金等金属零件表层，渗入特定的W、Mo、Ti、Al、Zr等一种或一种以上元素，再经与C、N、Si、O2等一种或一种以上特定元素化合，形成0.02－1.5毫米左右的WC、TiC、TiN、TiCN、AlN、ZrO2、Al2O3、MoSi2或NiAl2等一种或一种以上陶瓷富集渗镀层。本发明可以满足对金属零件表面的不同性能的要求。

Description

金属---陶瓷复合材料制造方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制造方法，更准确地说本发明涉及一种金属---陶瓷复合材料的制造方法，属于表面冶金范畴。
背景技术
在工程上，要求机件表面具有特殊性能的例子，随处可见，以磨损件为例，无论是粘着磨损还是磨料磨损，局部性磨损具有普遍意义。在冶金、石化、机械、建材、采矿、饲料加工等工业部门中，广泛使用高锰钢、高铬铸铁、奥贝双相球铁，模具钢，堆焊碳化钨，喷涂陶瓷等，作为耐磨材料制成金属零件。在高速、高温、高压、重载条件下，耐磨性差，不具有足够的强韧性能，导致使用寿命短，零部件更换频繁，作业率低，能源消耗增加。如目前国内钢厂的棒线材机组，使用传统的模具钢导卫，使用寿命仅8小时，饲料颗粒机用40Cr平模，使用寿命不足一年，双螺杆挤压机挤压氧化铝的40Cr螺杆推进器，使用寿命仅2个月。
陶瓷是金属和非金属元素组合而成的固体，如WC、TiC、TiN、AlN、Al2O3、NiAl2则除外。大多数陶瓷材料硬而脆，不能象金属和复合材料那样简单的进行熔化以及浇注，或铸造成为可用的形状。用粉末冶金方法可制成硬质合金，硬质合金最普通的成分是含钴胶结剂的碳化钨，它们比任何工具钢都硬，有极好的抗低应力磨蚀磨损性能。但由于硬质合金的抗拉强度低，抗冲击性能差，最大的缺点是可加工性，零件的尺寸受制造厂的压制和烧结能力的影响，及昂贵的价格，在许多应用方面受到了限制，目前碳化物、氮化物、氧化物采用堆焊或喷涂，物理气相沉积等，在不少场合得到应用，但由于工艺复杂，因二种材质膨胀系数不同，而易引起开裂，或因沉积层薄及设备的限制，很少能在耐磨、耐蚀工程中得到应用。
发明内容
本发明的目的是利用低气压辉光放电及溅射原理，提供一种金属---陶瓷复合材料制造方法。
本发明是采取以下的技术方案来实现的：
一种金属---陶瓷复合材料的制造方法，包括下列步骤：
(1)在一抽真空的炉体内充入惰性气体介质，优选充入氩气，其极限真空度为小于1Pa，气压控制在5-60Pa；需要时可混入适量的活性气体，如O2、N2、NH3、CH4等。
(2)在炉体内设阴阳两极，接0---1000伏的脉冲电源，阴极为桶形阴极；
(3)将至少一种的W、Mo、Ti、Al、Zr欲渗材料、金属零件放在桶形阴极内，接通脉冲电源，在低真空惰性气体氛围下、优选氩气氛围下、离子在阴极、金属零件、欲渗材料所产生的辉光相互叠加，而使辉光得以强化的能量区获得高能量，高速溅射到金属零件上；
(4)金属零件在不断的高能离子的轰击下，温度逐渐升高，金属零件表面产生畸变区和位错区，增加了晶体中缺陷的密度，欲渗材料的活性原子沿着缺陷通道快速扩渗到金属零件表层；
(5)对步骤(4)所得的金属零件表层进行碳化、氮化、碳氮化或氧化处理。
本发明还可以采取以下的技术方案来进一步实现：
前述的金属---陶瓷复合材料的制造方法，其特征在于其中(4)所述的温度为470---980度，处理时间为2-6小时。
前述的金属----陶瓷复合材料的制造方法，其特征在于其中(5)所述的化合处理温度为350-950度，时间为0.5---3小时。
本发明的原理是利用桶形阴极，在低真空、惰性气体气氛，优选氩气氛、脉冲电作用下形成集束，强辉光放电，产生高密度，高能量欲渗材料离子流，在高温下，快速溅射到金属零件表面，并逐渐渗入金属零件表层，同时根据钨、钛在一定温度范围内极易和碳亲和，钛铝在一定温度范围内极易和氮亲和，铝锆在一定温度范围内极易和氧亲和的原理，分别进行碳化、氮化或氧化处理，达到在金属表层一定深度内形成含WC或TiC、TiN或AlN、Al2O3或ZrO2等陶瓷耐磨层，耐蚀层或其它功能渗镀层。
本发明采用可以抽真空，且能充入气体介质的炉体，其极限真空度为小于1Pa，通入气体Ar，气压控制在5-60Pa。炉体内设接0---1000伏脉冲电源的阳极，桶形阴极。把清洗后的金属零件，W、Mo、Ti、Al、Zr中一种或一种以上的材料放在桶形阴极内，接通脉冲电源，在低真空、氩气氛下，离子在阴极、金属零件、欲渗材料所产生的辉光相互叠加，而使辉光得以强化的能量区获得高能量，高速溅射到金属零件上。金属零件在不断的高能离子轰击下，温度逐渐升高，其表面产生畸变区和位错区，增加了晶体中缺陷的密度，欲渗材料的活性原子沿着缺陷通道快速扩渗到金属零件表层。根据金属零件、欲渗材料的不同，处理温度范围为470---980度，处理时间根据所需陶瓷层厚度及处理温度决定，一般为2-6小时。为了使普通金属零件获得高耐磨性，耐蚀性及其它功能要求，还必须进行碳化或氮化，或碳氮化或氧化处理，根据金属零件、陶瓷材料及陶瓷复合层厚度，化合温度范围为350-950度，时间一般为0.5-3小时，即可合成金属---陶瓷复合材料。
本发明制成的金属---陶瓷复合材料，具有高硬度，高强度，高韧性，高耐磨性或高耐蚀性及高绝热性等特点，耐磨性能为常用合金钢的5-10倍，某些情况下可达20倍以上，耐蚀性提高4倍以上。
具体实施方式
实施例1
采用碳钢金加工成钢坯切分轮12只，钨材若干置于桶形阴极内，抽真空至1Pa，充入适量氩气，在980度下保温5小时。920度下碳化2.5小时，合成金属---陶瓷复合切分轮，经钢厂试用，使用寿命比原合金工具钢切分轮提高了5倍以上。
实施例2
采用碳钢金加工成滚动导卫轮12只，钛材若干置于桶形阴极内，抽真空至1Pa，充入适量氩气在950度下保温5小时，850度下碳氮化2.5小时，合成金属----陶瓷复合滚动导卫轮，经钢厂试用，使用寿命比原合金工具钢滚动导卫轮提高7倍以上。
除以上实施例外，凡采用等同替换或等效变换的形式所形成的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种金属---陶瓷复合材料的制造方法，包括下列步骤：
(1)在一抽真空的炉体内充入惰性气体介质，其极限真空度为小于1Pa，气压控制在5-60Pa；
(2)在炉体内设阴阳两极，接0---1000伏的脉冲电源，阴极为桶形阴极；
(3)将至少一种的W、M0、Ti、Al、Zr欲渗材料、金属零件放在桶形阴极内，接通脉冲电源，在低真空、惰性气体氛围下、离子在阴极、金属零件、欲渗材料所产生的辉光相互叠加，而使辉光得以强化的能量区获得高能量，快速溅射到金属零件上；
(4)金属零件在不断的高能离子的轰击下，温度逐渐升高，金属零件表面产生畸变区和位错区，增加了晶体中缺陷的密度，欲渗材料的活性原子沿着缺陷通道快速扩渗到金属零件表层；
(5)对步骤(4)所得的金属零件表层进行碳化、氮化、碳氮化或氧化处理。
2、根据权利要求1所述的金属---陶瓷复合材料的制造方法，其特征在于其中(1)所述的惰性气体是氩气。
3、根据权利要求1所述的金属---陶瓷复合材料的制造方法，其特征在于其中(4)所述的温度为470---980度，处理时间为2-6小时。
4、根据权利要求1所述的金属----陶瓷复合材料的制造方法，其特征在于其中(5)所述的化合处理温度为350-950度，时间为0.5---3小时。
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