專利名稱：一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝的制作方法
技術領域：
本發明一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝，屬于金屬材料表面冶金改性技術的范疇。
背景技術：
Ti和N組成的化合物TiN1-x可以在很寬的組成范圍內穩定存在，其中F.C.C結構的TiN因具有高硬度、低的摩擦系數、高粘著強度、化學穩定性好、漂亮的金黃色、良好的導電性、導熱性與鋼鐵材料的熱膨脹系數相近等優點而被廣泛應用于航空、航天、機械、交通、石油化工、醫療等領域。特別是被用作高質量的切割工具，抗磨粒、磨蝕和磨損部件的表面工程材料，具有廣闊的應用前景。
目前制備TiN的主要方法是化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子增強(PCVD)、離子束增強沉積技術(IBED)、多弧離子鍍等。因化學氣相沉積需要一套提供制備含鈦鹵化物氣體的設備，工藝復雜，成本較高，且CVD工藝也有其先天性的缺陷，一是薄膜內部為拉應力狀態，使用中易導致微裂紋的產生；二是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會造成工業污染，鹵化物氣體不僅對設備有腐蝕作用而且對環境影響較大，與目前所提倡的綠色工業相抵觸，因此九十年代中期后CVD技術的發展受到了一定的制約；采用一般的PVD沉積方法制得的TiN涂層，與CVD法相比，PVD法形成的涂層較薄，一般在1～3μm，與基體的粘著牢度稍低，且繞鍍性較差，由于結合強度較低，易于從基底剝落，影響了零件的使用壽命；其它技術設備價格昂貴、成本高，并且大多形成的是鍍層，在使用中也受到一定的限制。
雙層輝光等離子滲金屬技術是由我國大陸學者發明的并于1985年5月8日獲得美國專利，專利號為4731539。利用該技術已成功在基體表面形成Ni，Cr，W，Mo單元滲及Ni-Cr，W-Mo，Ni-Cr-Mo-Nb等多元滲，該技術的最顯著的特點是能夠在基體表面形成所需厚度的結合強度極佳的滲鍍擴散層。且具有節約貴金屬，節省能源、無公害，并可大面積處理及表面合金成分可控等顯著優點屬于綠色技術。
發明內容
本發明一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝其目的在于，公開一種采用輝光離子滲金屬技術實施Ti-N共滲形成TiN復合滲鍍擴散陶瓷層的工藝方法，它是在雙層輝光離子滲金屬技術基礎上將欲滲鍍金屬鈦以鈦絲方式插入平板或圓桶中，在低電壓下利用針狀鈦絲的空心陰極效應和鈦絲表面的尖端放電效應和工件與針狀鈦絲之間的空心陰極效應，將鈦原子、離子及粒子以高密度形式濺射出來，在僅通入氬氣的真空容器中，使工件表面滲入合金元素鈦，形成合金擴散層，然后通入一定混合比的氬氣和氮氣(或氨氣)，在這樣的放電空間中使工件一方面不斷有鈦元素的吸附和擴散，另一方面鈦元素與氮元素在工件表面產生化學反應，形成TiN的晶核并長大。
本發明一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝其特征在于，是一種用輝光等離子技術實施Ti-N共滲形成TiN復合擴散滲鍍陶瓷合金層的工藝方法，其步驟為I.裝置的設置是在真空容器(1)內，設置欲滲金屬源極(2)，被滲金屬工件(3)，墊片(4)，同時配有抽氣系統(5)、(6)，供氣系統(7)、(8)和電源控制系統(9)、(10)，其特征在于是將真空容器(1)的爐殼作為陽極并接地；欲滲金屬源極(2)做成平板狀或圓桶狀并將金屬鈦以φ3-10的絲狀形式插入到平板或圓桶中且鈦絲與鈦絲之間間隔8-15mm，長度為10-50mm；被滲金屬工件(3)作為陰極位于欲滲金屬源極(2)的下方10-28mm處；起連通或隔離欲滲金屬源極(2)與被滲金屬工件(3)且便于實施等電位和不等電位的電源控制，還可起到真空容器(1)內氣氛的流通作用的墊片(4)由金屬材料或非金屬陶瓷材料制作；II.具體的工藝第一步.把真空容器(1)，由機械泵抽氣系統(5)抽到1Pa，再用分子泵抽氣系統(6)抽到5.0×10-3Pa真空度后，由供氣系統(7)提供200ml/min的氬氣，在陽極(1)和源極(2)工件極(3)加入可調直流電源(9)、(10)，電壓在100-700V，使其產生輝光放電，開始使用低電流0.1-1A高電壓600V以上進行2min-10min的清理工件，將電壓調到100-700V范圍，利用空心陰極和尖端放電效應使被滲金屬工件升溫到800-1300℃使濺射出來的鈦以原子、離子、粒子的形式吸附到被滲金屬工件上，保溫1-6h，鈦的滲鍍擴散層達到10-80μm；第二步.供給氬氣和氮氣的混合氣，分壓為20Pa-50Pa，在真空容器(1)和金屬源極(2)被滲金屬工件(3)加入可調直流電源(9)、(10)，金屬源極(2)和被滲金屬工件(3)電壓控制在100-700V，工件溫度達到800-1300℃，濺射出來的鈦原子、離子，離解后的氮原子、離子在工件負偏壓的作用下快速到達工件表面，其中一部分氮的原子和離子參于陰極的轟擊和濺射，一部分氮原子和離子與工件表面的鈦原子形成TiN，一部分則吸附于工件表面向內擴散，當氮原子擴散進入滲鈦層時，立即與鈦原子形成TiN化合物，TiN沉積擴散層達到8-30μm。
上述的合成TiN時通入的氬氣、氮氣的混合氣體的比例為100∶3、100∶6、100∶9，100∶12。
本發明的優點及用途在于將欲滲金屬源極以金屬鈦絲的形式插入到平板或圓桶中使欲滲金屬源極和陰極有機結合，形成的組織為TiN+含有TiN的固溶體+基體組織。使得基體與表面的組織成為連續的TiN擴散層，表面硬度高，為TiN結構，向內逐步降低。其TiN合金層和擴散層厚度高達10μm以上，表面含鈦和氮的成分也高向內呈梯度分布。實現了Ti-N共滲形成TiN復合擴散滲鍍陶瓷合金層。
四
附圖1為本發明的實施裝置示意中標號為1.真空容器 2.金屬源極 3.被滲金屬工件 4.墊片 5.機械泵抽氣系統 6.分子泵抽氣系統 7.氬氣供氣源 8.氮氣供氣源9.工件電源 10.金屬源極電源五具體實施方式
實施方式1將欲滲的金屬鈦以鈦絲的形式插入到金屬源極2上端平板上或四周圓桶上，被滲金屬工件3放置在陰極上，陽極接在真空容器爐殼上并接地。把真空容器1先由機械泵抽氣系統5抽到1Pa，再用分子泵抽氣系統6抽到5.0×10-3Pa真空度后，以50ml/min流量通入氬氣到8Pa，使用低電流高電壓600V以上進行2min-10min的清理工件表面，通入氬氣到20Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓200V，使被滲金屬工件升溫到800℃濺射出來的鈦以原子、離子、粒子的形式吸附到被滲金屬工件上，保溫3小時，使被滲金屬工件3由表及里固溶擴散10μm的鈦滲鍍擴散層。然后按100∶3的比例通入反應氣體氮氣，氣壓為20Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓200V，被滲金屬工件溫度達到800℃，保溫3小時，由于氮原子的原子半徑小，在金屬中是間隙擴散，所以擴散速度較金屬原子快。并且氮原子與鈦原子之間有較強的結合能，從而使得在一定時間內滲鈦合金化層成為TiN固溶體擴散層，反應滲鍍TiN為8μm，表層硬度為1800 Hv0.1。
實施方式2工藝過程與實施方式1基本相同，工藝參數變化如下滲鍍鈦時氬氣通到30Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓350V，被滲金屬工件溫度920℃，保溫3小時，鈦滲鍍擴散層12μm；形成TiN復合滲鍍層時，氬氣與氮氣的流量比為100∶6，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓350V，氣壓35Pa，被滲金屬工件溫度920℃，保溫2小時，TiN復合滲鍍層為12μm，表層硬度為2200Hv0.1。
實施方式3工藝過程與實施方式1基本相同，工藝參數變化如下滲鍍鈦時氬氣通到40Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓500V，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫2小時，鈦滲鍍擴散層13μm；形成TiN復合滲鍍層時，氬氣與氮氣的流量比為100∶9，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓500V，氣壓45Pa，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫3小時，TiN復合滲鍍層為20μm，表層硬度為2400Hv0.1。
實施方式4工藝過程與實施方式1基本相同，工藝參數變化如下滲鍍鈦時氬氣通到50Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓650V電流，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫1小時，鈦滲鍍擴散層15μm；形成TiN復合滲鍍層時，氬氣與氮氣的流量比為100∶12，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓650V，氣壓50Pa，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫1小時，TiN復合滲鍍層為13μm，表層硬度為2000Hv0.1。
實施方式5工藝過程與實施方式1基本相同，工藝參數變化如下滲鍍鈦時氬氣通到40Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓500V，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫4小時，鈦滲鍍擴散層35μm；形成TiN復合滲鍍層時，氬氣與氮氣的流量比為100∶9，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓500V，氣壓45Pa，被滲金屬工件溫度1020℃，保溫4小時，TiN復合滲鍍層為25μm，表層硬度為2800Hv0.1。
實施方式6工藝過程與實施方式1基本相同，工藝參數變化如下滲鍍鈦時氬氣通到50Pa，金屬源極2和被滲金屬工件3加入相等直流電壓650V，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫6小時，鈦滲鍍擴散層80μm；形成TiN復合滲鍍層時，氬氣與氮氣的流量比為100∶12，金屬源極2和被滲金屬工件3直流電壓650V，氣壓50Pa，被滲金屬工件溫度1300℃，保溫3小時，TiN復合滲鍍層為30μm，表層硬度為3200Hv0.1。
權利要求
1.一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝其特征在于，是一種用輝光等離子技術實施Ti-N共滲形成TiN復合擴散滲鍍陶瓷合金層的工藝方法，其步驟為I.裝置的設置是在真空容器(1)內，設置欲滲金屬源極(2)，被滲金屬工件(3)，墊片(4)，同時配有抽氣系統(5)、(6)，供氣系統(7)、(8)和電源控制系統(9)、(10)，其特征在于是將真空容器(1)的爐殼作為陽極并接地；欲滲金屬源極(2)做成平板狀或圓桶狀并將金屬鈦以φ3-10的絲狀形式插入到平板或圓桶中且鈦絲與鈦絲之間間隔8-15mm，長度為10-50mm；被滲金屬工件(3)作為陰極位于欲滲金屬源極(2)的下方10-28mm處；起連通或隔離欲滲金屬源極(2)與被滲金屬工件(3)且便于實施等電位和不等電位的電源控制，還可起到真空容器(1)內氣氛的流通作用的墊片(4)由金屬材料或非金屬陶瓷材料制作；II.具體的工藝第一步.把真空容器(1)，由機械泵抽氣系統(5)抽到1Pa，再用分子泵抽氣系統(6)抽到5.0×10-3Pa真空度后，由供氣系統(7)提供200ml/min的氬氣，在陽極(1)和源極(2)工件極(3)加入可調直流電源(9)、(10)，電壓在100-700V，使其產生輝光放電，開始使用低電流0.1-1A高電壓600V以上進行2min-10min的清理工件，將電壓調到100-700V范圍，利用空芯陰極和尖端放電效應使被滲金屬工件升溫到800-1300℃使濺射出來的鈦以原子、離子、粒子的形式吸附到被滲金屬工件上，保溫1-6h，鈦的滲鍍擴散層達到10-80μm；第二步.供給氬氣和氮氣的混合氣，分壓為20Pa-50Pa，在真空容器(1)和金屬源極(2)被滲金屬工件(3)加入可調直流電源(9)、(10)，金屬源極(2)和被滲金屬工件(3)電壓控制在100-700V，工件溫度達到800-1300℃，濺射出來的鈦原子、離子，離解后的氮原子、離子在工件負偏壓的作用下快速到達工件表面，其中一部分氮的原子和離子參于陰極的轟擊和濺射，一部分氮原子和離子與工件表面的鈦原子形成TiN，一部分則吸附于工件表面向內擴散，當氮原子擴散進入滲鈦層時，立即與鈦原子形成TiN化合物，TiN沉積擴散層達到8-30μm。
2.按照權利要求1所述的一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝，其特征在于所述的合成TiN時通入的氬氣、氮氣的混合氣體的比例為100∶3、100∶6、100∶9，100∶12。
全文摘要
一種制備氮化鈦復合陶瓷的工藝屬于金屬材料表面冶金改性技術的范疇。其特征在于是，在真空容器內，將欲滲金屬源極以金屬鈦絲的形式插入到平板或圓桶中且鈦絲與鈦絲間隔8－15mm，長度為10－50mm，置于距離被滲金屬工件10－28mm處，首先將氬氣通入到真空容器中，在低電壓作用下將欲滲金屬鈦絲以鈦的離子、原子的形式高密度濺射出來，吸附在被轟擊加熱到一定溫度的工件表面上，形成一定厚度的鈦的滲鍍擴散層。然后通入一定混合比的氬氣和氮氣(或氨氣)在鈦被濺射和擴散的同時使氮與鈦元素在工件表面產生化學反應，形成TiN的晶核并長大，其TiN合金層和擴散層厚度高達10μm以上，鈦和氮的成分也由高到低向內呈梯度分布，使表面TiN合金層和基體有良好的結合強度。
文檔編號C23C14/06GK1673407SQ200510012419
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者徐重, 劉燕萍, 高原, 徐晉勇 申請人:太原理工大學