專利名稱：金屬碳化物陶瓷覆層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及材料表面工程領域，特別涉及一種金屬碳化物陶瓷覆層及其制備方法。
背景技術：
上世紀70年代日本豐田中央研究所研制出了一種熱擴散法碳化物覆層處理技術(Thermal Diffusion Carbide Coating Process)我國也稱作“熔鹽滲金屬”。該技術由日本引入世界各地的許多國家，美國、韓國等國都已得到廣泛的應用。但這些工藝用到諸如發動機鏈條這類小零件上有很多問題需要解決，例如零件相互接觸的部位不易均勻滲覆。美國、日本等工業發達國家自20世紀80年代以來也先后建立了超硬覆層技術研究中心，90年代此技術在國外進入工業化應用階段，并把該項技術大量用于模具制造業。 國外發達國家的實踐證明，高耐磨金屬碳化物陶瓷覆層用于模具能大幅提高模具的使用壽命。例如在日本，80%的汽車沖壓模具都應用了金屬碳化物覆層技術；又如在美國Arvin TD中心，目前為400多家客戶提供金屬碳化物耐磨覆層處理加工服務，其中超過70%的客戶來自汽車制造業。近年來，金屬碳化物覆層技術在澳大利亞、韓國、我國臺灣等地也開始得到廣泛的應用。2002年美國國家能源部將高硬度金屬碳化物覆層技術列為 NICE3(National Industrial Competitiveness Through Energy, Environment, andEconomics)資助項目，并在賓州建立了兩個工業化應用示范基地。早在上世紀70年代我國已經開始研究金屬碳化物覆層技術，但是國內的研究成果大多沒有經過長時間生產的考驗，應用中總是存在這樣或那樣的問題，所以從70年代至90年代，盡管研究的人很多，但沒有一家專業從事該項技術加工的廠家。隨著時間的遷移，科學技術的不斷發展，目前用于生產實踐的高硬度耐磨蝕覆層制備方法主要有氣相沉積(PVD和CVD)、化學鍍(鍍NI-P合金等)和金屬碳化物熔鹽擴散法(日本豐田法)等。上述工藝方法由于存在著諸如設備昂貴、工藝復雜、覆層附著強度差、工業化生產效率低等缺點，應用范圍受到較大的局限，往往不能滿足工業化生產的需求，特別是對于量大面廣的小型通用耐磨蝕零部件，例如汽車、摩托車、印刷、紡織及食品加工機械的耐磨耐蝕精密配合件等，需要采用特別的覆層工藝和設備。高耐磨金屬碳化物陶瓷覆層技術是近十多年來材料表面工程領域的研究熱點，是在機械制造行業具有廣闊應用前景的先進制造技術。以往汽車發動機多采用正時皮帶傳動。近年來，汽車發動機的正時傳動、機油泵傳動、平衡軸傳動等越來越廣泛地采用了鏈傳動系統，因其具有結構緊湊、傳遞功率高、可靠性與耐磨性高、噪聲小、設計型式多樣、終身免維護等顯著優點，克服了齒輪傳動和皮帶傳動性能上的某些先天不足，并給汽車最終用戶增添了新的使用價值，日益顯示出其廣闊的市場應用前景。隨著對發動機性能要求的提高，新型齒型無聲鏈條代替正時皮帶已成為必然趨勢。普通正時鏈條多采用滲碳或碳氮共滲工藝，零件表面硬度最高為750 850HV0. 1，不能滿足對發動機鏈條耐磨性能的要求。目前，國外發動機正時鏈條已普遍采用碳化鉻覆層工藝，表面硬度可達到1200 1500HV0. I。美國和日本近年來開發的碳化釩和鉻釩合金碳化物陶瓷覆層已用于自動變速箱汽車鏈條，表面硬度達到1800HV0. I以上。
發明內容
本發明目的在于提供一種應用于精密發動機鏈條部件的金屬碳化物陶瓷覆層及其制備方法。根據本發明的一個方面，提供一種金屬碳化物陶瓷覆層，將釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合得到合金粉體；所述合金粉體經高溫固體氣相擴散滲透形成于基材表面的金屬碳化物陶瓷覆層；所述釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土催化劑按重量份數計 混合，比例范圍釩鐵粉40 60%、碳化鈮粉5 15%、鈦鐵粉5 15%、鋁粉2 3%、SN充填劑15 23%和氯化稀土 2 5%。根據本發明的另一個方面，提供一種金屬碳化物陶瓷覆層的制備方法，包括將零件基材置于釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉和SN充填劑混合所得合金粉體中，而后加入氯化稀土，利用高溫密封加熱，經固體氣相擴散滲透于基材表面形成覆層厚度1(Γ20微米金屬碳化物陶瓷覆層。將所述零件基材浸沒于釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉混合所得合金粉體中并加ASN充填劑和氯化稀土，而后置于耐熱鋼密封旋罐中并放入旋轉加熱爐內，旋轉加熱至以960 V并保溫6 8小時，自然冷卻后待爐溫降至300 °C以下將耐熱鋼密封罐取出，并將零件從罐中掏出清洗，然后根據零件材料所需的淬火溫度(850°C 1050°C)加熱爐加熱保溫后，倒入水或油中淬火，最后回火并拋光。釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土催化劑按重量份數計混合，比例范圍釩鐵粉40 60%、碳化鈮粉5 15%、鈦鐵粉5 15%、鋁粉2 3%、SN充填劑15 23%和氯化稀土 2 5%。所述制備所得金屬碳化物陶瓷覆層廣泛應用于精密發動機鏈條部件表面、精密零件、磨具。本發明所具有的優點本發明所得釩鈦合金碳化物陶瓷層，表面硬度高達2200
3800HV0. 1，所述金屬碳化物陶瓷層具有超過硬質合金的高硬度和非常低的摩擦系數，通過
實際應用證明，可大幅度提高金屬的耐磨性、抗粘著性、抗拉傷性和耐腐蝕性等。通過本發
明所得金屬碳化物陶瓷層從提高生產效率、降低成本、節能、環保等方面帶來可觀的經濟效.、/.
Mo
圖I為本發明實施例提供在金屬碳化物陶瓷表面覆層圖(由圖顯示表層耐磨耐腐蝕優于基體)。圖2為本發明實施例提供的不同含碳量的基體材料覆層厚度與加熱時間的關系圖，其中960°C加熱。圖3為本發明實施例提供的不同含碳量的基體材料覆層厚度與加熱溫度的關系圖，其中加熱時間6 8h。圖4為本發明實施例提供的發動機高耐磨精密鏈傳動件銷軸覆層厚度與加熱溫度的關系圖，其中加熱時間6 8h，溫度為960°C。圖5為本發明實施例提供的VTi覆層優于其它工藝示圖。
具體實施例方式實施例I在發動機高耐磨精密鏈傳動件上的應用金屬碳化物陶瓷覆層經釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合所得合金粉體，經高溫固體氣相擴散滲透形成于基材表面形成金屬碳化物陶瓷覆層；所述合金粉體按重量份數計混合，具體50 凡鐵粉、10%碳化銀粉、10%鈦鐵粉、5%招粉、 23%SN充填劑和2%氯化稀土。SN充填劑由碳化硼、氯化鈉、氟化鈉、鋁粉和二氧化硅按一定比例混合而成，具體比例碳化硼20 30%、氯化鈉20%、氟化鈉20%、鋁粉10 20%和二氧化硅20%。金屬碳化物陶瓷覆層制備方法將所述零件基材浸沒于釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合后所得合金粉體中，而后置于高溫旋轉式加熱爐內，爐內通入工業氮氣(氮氣含量> 90%,通入量O. 025 0. ImVh)以960°C旋轉加熱保溫8小時后從加熱罐取出并讓其自然冷卻，然后將零件洗凈再加熱到1050°C，而后倒入水或油中淬火，最后回火并拋光。將上述于發動機高耐磨精密鏈傳動件上的覆層在表面維氏硬度計下檢測，其銷軸表面硬度2200 2600HV0. I ;銷軸抗拉強度提高50-100% ;鏈條耐磨性提高100-300%。實施例2在內燃機零部件上的應用，具體用于氣門挺柱、凸輪軸、搖臂、活塞銷等。金屬碳化物陶瓷覆層經釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合所得合金粉體，經固體氣相擴散滲透于基材表面形成金屬碳化物陶瓷覆層；上述合金粉體按重量份數計混合，具體45 %釩鐵粉、15%碳化鈮粉、15 %鈦粉、3 %鋁粉、20%SN充填劑和2%催化劑。金屬碳化物陶瓷覆層制備方法將所述零件基材均勻浸沒于將釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合后置于真空密封旋轉式加熱爐內，爐內通入工業氮氣(氮氣含量> 90%,通入量O. 025 0. ImVh),以960°C旋轉加熱8小時后從加熱罐取出并讓其自然冷卻，然后將零件洗凈再加熱后倒入水或油中淬火，最后回火并拋光。將上述于內燃機零部件，具體為氣門挺柱、凸輪軸、搖臂、活塞銷等的覆層在表面維氏硬度計下檢測，其表面硬度彡2200HV0. I ;覆層厚度10-20um ;耐蝕性是304不銹鋼的3倍。實施例3在紡織機械零件上的應用，具體適用于紡織鋼領、鋼圈、轉杯、導紗鉤、織針等。金屬碳化物陶瓷覆層經釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮、鋁粉、SN充填劑、氯化稀土混合所得合金粉體，經固體氣相擴散滲透于基材表面形成金屬碳化物陶瓷覆層，上述原料按重量份數計，具體比例釩鐵粉50%、碳化鈮粉5%、鈦鐵粉15%、鋁粉5%、SN充填劑23%和氯化稀土催化劑2%金屬碳化物陶瓷覆層制備方法將所述零件基材均勻浸沒于釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合粉體中，置于真空密封旋轉式加熱爐內，爐內通入工業氮氣(氮氣含量> 90%,通入量O. 025 0. ImVh),以960°C旋轉加熱8小時后從加熱罐取出并讓其自然冷卻，然后將零件洗凈再加熱后倒入水或油中淬火，最后回火并拋光。上述于紡織機械零件，具體適用于紡織鋼領、鋼圈、轉杯、導紗鉤、織針等內燃機零部件上的覆層在表面維氏硬度計下檢測，其表面硬度> 2200HV0. I ;覆層厚度5-15um ；耐蝕性是304不銹鋼的3倍。上述各實施例制備的覆層厚度為5 20 μ m，隨著處理溫度和時間的不同，覆層厚 度變化(如圖2、圖3及圖4)所示。在上述各實施例選擇不同覆層工藝參數對40Cr、35CrMo、50CrV、75、80鋼等不同材料處理后進行的覆層結構分析及耐磨損試驗結果表明，采用本發明獲得釩鈦合金碳化物陶瓷層，其結構由外表層和過渡層組成，總厚度在5 20 μ m范圍。經X射線衍射分析，得知合金碳化物陶瓷層外表層結構為(V，Ti)8C7，次表層為V8C7。對本發明釩鈦合金覆層試樣與碳化鉻覆層試樣、碳氮共滲試樣進行相同參數的磨損試驗結果表明本發明釩鈦合金碳化物覆層具有很好的抗磨損耐蝕性能(見表I數據)，對比滲C、滲N、滲B、滲C硬度比較，見圖5所示。表I三種表面覆層的耐磨性能比較(其中，測試條件速率O. 5m/s，荷重2kg，行程600m)
_4] ^縣制^覆層厚度^~表面硬度^磨痕寬度
Hvo. Im
_a.碳氮共滲0J5780520
b.碳化格 260Π0
C.饑鈥合金
0.012230040
碳化物
權利要求
1.一種金屬碳化物陶瓷覆層，其特征在于 將釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土混合得到合金粉體； 所述合金粉體經高溫固體氣相擴散滲透形成于基材表面的金屬碳化物陶瓷覆層；所述釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土催化劑按重量份數混合比例范圍釩鐵粉40 60%、碳化鈮粉5 15%、鈦鐵粉5 15%、鋁粉2 3%、SN充填劑15 23%和氯化稀土 2 5%。
2.根據權利要求I所述的金屬碳化物陶瓷覆層，其特征在于，所述SN充填劑包括 碳化硼20 30%、氯化鈉20%、氟化鈉20%、鋁粉10 20%和二氧化硅20%。
3.—種權利要求I或2所述的金屬碳化物陶瓷覆層的制備方法，其特征在于，包括 將零件基材置于釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉和SN充填劑混合所得合金粉體中，而后加入氯化稀土，利用高溫密封加熱，經固體氣相擴散滲透于基材表面形成覆層厚度1(T20微米金屬碳化物陶瓷覆層。
4.根據權利要求3所述的金屬碳化物陶瓷覆層的制備方法，其特征在于 將所述零件基材浸沒于釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉混合所得合金粉體中并加入SN充填劑和氯化稀土，而后置于耐熱鋼密封旋罐中并放入旋轉加熱爐內，旋轉加熱至以960°C并保溫6 8小時，自然冷卻后待爐溫降至300°C以下將耐熱鋼密封罐取出，并將零件從罐中掏出清洗，然后在850°C 1050°C的加熱爐里加熱保溫后，倒入水或油中淬火，最后回火并拋光。
5.根據權利要求3或4所述的金屬碳化物陶瓷覆層的制備方法，其特征在于 釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土催化劑按重量份數計混合，比例范圍釩鐵粉40 60%、碳化鈮粉5 15%、鈦鐵粉5 15%、鋁粉2 3%、SN充填劑15 23%和氯化稀土 2 5%。
6.根據權利要求3或4所述的金屬碳化物陶瓷覆層的制備方法，其特征在于 所述制備所得金屬碳化物陶瓷覆層廣泛應用于精密發動機鏈條部件表面、精密零件、磨具。
全文摘要
本發明涉及一種金屬碳化物陶瓷覆層及其制備方法。該金屬碳化物陶瓷覆層，由釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土催化劑混合所得合金粉體，在高溫下經過固體氣相擴散滲透形成于基材表面的金屬碳化物陶瓷覆層；所述釩鐵粉、鈦鐵粉、碳化鈮粉、鋁粉、SN充填劑和氯化稀土催化劑按重量份數計混合，比例范圍釩鐵粉40~60％、碳化鈮粉5~15%、鈦鐵粉5~15％、鋁粉2~3％、SN充填劑15~23%和氯化稀土2~5%。所得釩鈦合金碳化物陶瓷覆層，表面硬度高達2200～3800HV0.1，所述金屬碳化物陶瓷覆層具有超過硬質合金的高硬度和非常低的摩擦系數。
文檔編號C23C12/02GK102808147SQ20121032361
公開日2012年12月5日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者張煉, 喬琛 申請人:武漢力盾新材料科技有限公司, 武漢銘高新材料有限公司