[发明专利]一种激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合TiN强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面强化处理技术领域。 

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、尿素和N₂气体为组元的激光叠加钨极气体保护电弧诱导金属表层复合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与尿素的混合粉末，在N₂气体的氛围中，用激光叠加钨极气体保护电弧在涂敷TiO₂与尿素的混合粉末的金属表面进行扫描。

通过以上方法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HV1750至HV1800以上，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、尿素和N₂气体，以激光叠加钨极气体保护电弧为能量源，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。

另，对于不同的金属，本发明所述TiO₂为工业纯TiO₂，TiO₂与尿素的混合质量比为6:4。 

在金属表面涂敷的所述TiO₂与尿素的混合粉末厚度为1.5～2毫米。 

所述N₂气体的流量为7～11L/min。 

在所述扫描时，激光光束垂直照射在金属表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 

激光叠加钨极气体保护电弧以400～600mm/min的速度进行扫描，激光功率为100～200W，激光波长为1.06μm或10. 6μm，光斑直径为2～3毫米。 

所述钨极气体的流量为7L/min，电弧电流为20～30A。 

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处理： 

1、在碳素结构钢表面敷以工业纯TiO₂与尿素（(NH₂)₂CO）混合粉末，其质量比为6:4，厚度为1.5毫米。

2、随激光叠加钨极气体保护电弧移动，通以氮气，氮气流量为7L/min。 

3、激光光束垂直照射在碳素结构钢表面，钨极气体保护电弧与激光光束成30°夹角。 

4、激光叠加钨极气体保护电弧以400mm/min速度进行扫描，激光功率为200W，激光波长为1.06μm，光斑直径为2毫米。 

5、钨极气体保护电弧使用氮气作为保护气体，流量为7L/min，电弧电流为30A。 

6、经检测结果，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。 

二、对20MnV、40Cr、35CrMoV和20CrMnSi合金结构钢分别进行表面处理：