專(zhuān)利名稱(chēng)：固體涂覆碳化鈦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料熱處理行業(yè)。
獲得超硬度TiC層的方法，目前主要有氣相沉積法和鹽浴法(TD法)。氣相沉積法又可分為物理氣相沉積(PVD)法和化學(xué)氣相沉積(CVD)法二大類(lèi)。用PVD法涂覆的TiC和基體結(jié)合不牢，易于剝落;CVD法的裝置不但復(fù)雜昂貴，而且處理溫度高達(dá)1000～1100℃，TiC層厚度也僅幾微米。鹽浴(TD)法已能成功地在鋼件表面上涂覆TiC，但必須在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。
固體法涂覆TiC是一種比較簡(jiǎn)單的方法，它是將含碳的鐵基合金埋入配好的涂覆劑中，將箱蓋好，密封后將箱放入電爐中加熱，從而使含碳的鐵基合金表面得到TiC層。
現(xiàn)有的普通固體滲鈦或固體涂覆TiC方法，一般采用工業(yè)鈦粉、鈦鐵合金或二氧化鈦?zhàn)鳛楣┾佋?，NH4Cl為活化劑，氧化鋁作為耐火充填物。這種固體裝箱法還需在氬氣保護(hù)下進(jìn)行或其他較復(fù)雜的密封方法。目前的固體涂覆TiC方法，雖然可以得到一定厚度的TiC層，但是，還不能在工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用。如蘇聯(lián)專(zhuān)利(NO 1065498.1983.1)的滲劑成份為T(mén)iO246～50%Al18～22%NH4Cl 0.5～2%(NH4)2SO42.5～4.0%Al2O3余量在1000℃處理4小時(shí)，碳化物層可達(dá)18～22微米，這種涂覆劑的主要缺點(diǎn)是活性鈦不足，涂覆速度低，同時(shí)還必須采用較復(fù)雜密封方法，一旦密封性不好就得不到TiC層，或TiC層疏松、多孔。
日本K.Yoshida等(第四屆國(guó)際材料熱處理大會(huì)論文)用極簡(jiǎn)單的設(shè)備和粉末裝箱法在高碳鋼上得到TiC層，選用100～150目含42.6%Ti的鈦鐵粉(64%重)，300目的細(xì)粒Al2O3(34%重)和優(yōu)質(zhì)工業(yè)純NH4Cl(2%重)滲劑。并通氬氣保護(hù)在850～950℃保溫1-5小時(shí)。所得到的滲層是由多孔易剝落的外層和硬度很高只有少量孔隙的內(nèi)層組成，內(nèi)層與基體結(jié)合牢固。
一般的粉末涂覆工藝很難獲得合乎要求的連續(xù)、致密(疏松少)的TiC層。固體涂覆劑中有足夠充足的活性鈦和最大限度地排除涂覆箱中的氧氣和良好的密封性是使鋼件表面獲得良好TiC層的重要條件。這是目前固體法涂覆TiC必須解決的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的就是為了解決以上的固體涂覆TiC方法存在的問(wèn)題，提供一種新的固體涂覆劑和自密封裝箱法，不需惰性氣體保護(hù)，涂覆速度快，使含碳的鐵基合金表面獲得連續(xù)，織密與基體結(jié)合牢固的TiC層。
本發(fā)明所述的固體涂覆TiC的滲劑自密封法是將含碳的鐵基合金埋入配好的涂覆劑中，然后在涂覆劑上部放入5～10毫米厚的工業(yè)用氧化硅粉末(SiO2)將金屬箱蓋好，箱蓋與箱體之間縫隙用一般耐火泥填充。將上述金屬箱放入普通空氣介質(zhì)加熱的箱式電爐中加熱，當(dāng)溫度達(dá)到850℃以上時(shí)，在氯化銨存在情況下，通過(guò)氣氛中的AlCl3與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在涂覆劑表面形成厚度為5毫米左右的密封性良好的硅酸鹽保護(hù)殼。這種自密封方法，不僅可以保證涂覆劑的較高涂覆TiC速度，而且可以得到連續(xù)、致密的TiC層。
本發(fā)明所述的涂覆劑組分為工業(yè)鈦粉(80～150目)30～45%AlCl35～15%稀土氯化物0.5～2%氯化銨2%Al2O3余量本發(fā)明解決問(wèn)題的手段是在氯化鋁(AlO3)為活化劑的涂覆劑中，為進(jìn)一步提高涂覆速度，加入0.5～2%的稀土氯化物。氯化鋁的加入量為5～15%。
在加入1%稀土氯化物的涂覆劑中(45%工業(yè)鈦粉，5%AlCl3，2%NH4Cl，余為Al2O3)，不同涂覆溫度與時(shí)間下的TiC層厚度(1.2%C鋼)如

圖1。加入稀土氯化物的涂覆劑，1.2%C鋼，在1000℃處理1小時(shí)，TiC層厚度為22微米，比不加稀土氯化物的增加83%，1000℃處理5小時(shí)，TiC層厚度增加40%。在一定涂覆溫度下，處理時(shí)間愈短，稀土氯化物的作用愈顯著。在含1%稀土氯化物的涂覆劑中，加入5%AlCl3為宜(圖2)。雖然在不含稀土氯化物的涂覆劑中(圖2曲線(xiàn)E)，隨氯化鋁含量提高，TiC層厚度增加(1000℃5小時(shí))，但在同樣處理溫度下，處理時(shí)間為1小時(shí)，其涂覆效率大大低于含1%稀土氯化物和5%氯化鋁的涂覆劑(前者為11微米，后者為22微米)。稀土氯化物的加入量為1%時(shí)效果最佳(圖3)。稀土氯化物的作用還與鋼中的含碳量有關(guān)，鋼中含碳量愈高，稀土氯化物的作用亦愈明顯(圖4)。鋼中含碳量＜0.4%時(shí)，稀土氯化物失去作用。
照片1、2是在加入1%稀土氯化物與不加稀土氯化物的涂覆劑中，1000℃處理1小時(shí)，0.8%C鋼和1.2%C鋼的TiC層顯微照片。TiC層連續(xù)、致密，經(jīng)粗砂輪高速打磨，TiC層無(wú)剝落現(xiàn)象，TiC層與基體結(jié)合牢固。
在加入的稀土氯化物中，氯化鐿(YbCl3)、氯化釹(NdCl3)、氯化鑭(LaCl3)及氯化釓(GdCl3)的作用相同。加入復(fù)合稀土氯化物與加入單一稀土氯化物的作用一致(圖5)。
氯化鋁的活化作用是通過(guò)在鋼件表面形成活性鋁原子，鋁與介質(zhì)中的TiCl4發(fā)生反應(yīng)生成活性鈦原子(Al+TiCl4→[Ti]+AlCl3)，加速鋼件表面活性鈦原子的生成。此外，氯化鋁與二氧化鈦(工業(yè)鈦粉表面生成物)反應(yīng)(AlCl3+TiO2→Al2O3+TiCl4)，以及易于氣化的氯化鋁可以?shī)Z取氣氛中的水和氧，使介質(zhì)中的TiCl4濃度提高，增加了活性鈦的數(shù)量，導(dǎo)致涂覆TiC速度提高。
由于稀土元素是一種比鋁更為活潑的元素，更容易形成氧化物，稀土氯化物首先與介質(zhì)中的水分、氧、二氧化鈦發(fā)生反應(yīng)形成稀土氧化物，使氣氛中的水蒸氣、氧含量降低，并易于去除鈦粉表面的二氧化鈦，進(jìn)一步提高了氯化鈦的濃度，加速活性鈦的生成，從而提高了TiC層的生成速度。
本發(fā)明的涂覆劑，適用于含碳量≥0.4%的碳鋼和合金鋼，處理溫度為900～1000℃，時(shí)間為1-5小時(shí)，可以得到不同厚度的TiC層，硬度為HV2500～4000。
固體涂覆TiC法是否能夠獲得致密的TiC層，密封方法是個(gè)重要的關(guān)鍵。為防止在加熱到比較高的溫度時(shí)涂覆劑與空氣接觸，發(fā)明了涂覆劑自密封保護(hù)法。該方法是將滲劑配好后裝入滲罐中，然后在涂覆劑上部均勻放入厚為5～10毫米的SiO2粉末(粒度＞150目)，將滲箱蓋好后用耐火泥封閉。在加熱過(guò)程中，靠耐火泥的密封作用，罐內(nèi)分解氣將空氣逐漸排出。當(dāng)溫度達(dá)到850℃以上時(shí)，罐內(nèi)尚保持正壓，在滲劑的上部形成具有密封性相當(dāng)好的黑色保護(hù)殼。這種保護(hù)殼的主要組成是硅酸鋁并含有少量氧化鐵、氧化錳、氧化鋁、二氧化鈦等雜質(zhì)。該保護(hù)殼的形成溫度＞850℃，溫度愈高，保護(hù)殼愈堅(jiān)固，密封性愈好。箱體出爐后，將保護(hù)殼擊破，處理材料表面不粘附涂覆劑粉末，在鋼件表面形成平滑、潔凈的TiC層。
涂覆劑上部加SiO2粉末與不加SiO2粉末的兩個(gè)涂覆箱，經(jīng)同一溫度和時(shí)間處理后，得到的TiC層結(jié)構(gòu)如照片3?？梢?jiàn)，前者得到的TiC層具有良好的致密度，后者的TiC層嚴(yán)重疏松，無(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
自密封方法得到的保護(hù)殼，其外貌如照片4。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，由于在涂覆劑上部放入5～10毫米厚的SiO2粉末(＞150目)，加熱溫度達(dá)到850℃以上時(shí)，在涂覆劑上部形成密封性良好的保護(hù)殼，不需惰性氣體保護(hù)。由于在涂覆劑中加入稀土氯化物，加速了活性鈦的生成，從而提高了TiC層的生成速度。因此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有涂覆速度快、具有自密封性、不需惰性氣體保護(hù)或其它復(fù)雜的密封措施，涂覆的TiC層具有連續(xù)，致密與基體結(jié)合牢固的特點(diǎn)。
圖1為涂覆劑中稀土氯化物的作用(1.2%C鋼)A，C-加入1%稀土氯化物，B，D-未加入稀土氯化物-1000℃-900℃圖2為涂覆劑中氯化鋁含量對(duì)TiC層厚度的影響(1.2%C鋼1000℃5小時(shí))E-未加入稀土氯化物。F-加入1%稀土氯化物圖3為涂覆劑中稀土氯化物含量對(duì)TiC層厚度的影響(涂覆劑中含5%AlCl31000℃5小時(shí))圖4為稀土氯化物的作用與鋼中含碳量的關(guān)系(1000℃1小時(shí))G-加入1%稀土氯化物，H-不加稀土氯化物圖5為不同稀土氯化物對(duì)TiC層厚度的影響照片1為0.8%C鋼TiC層的金相照片(1000℃1小時(shí))a)未加入稀土氯化物，b)加入1%稀土氯化物照片2為1.2%C鋼TiC層的金相照片(1000℃，1小時(shí))a)未加入稀土氯化物，b)加入1%稀土氯化物。
照片3為滲劑自密封對(duì)TiC層致密度的作用。
(1000℃5小時(shí)1.2%C鋼)a)采用本發(fā)明的自密封法;b)涂覆箱只用耐火泥封。
照片4為自密封方法得到的保護(hù)殼。
照片5為1.0%C，1.45%C鋼，TiC層金相照片(1000℃1小時(shí))實(shí)例1采用固體涂覆劑的成分為45%工業(yè)鈦粉，5%AlCl3，1%稀土氯化物，2%NH4Cl，余為Al2O3。將上述配好的粉末裝入金屬箱中，然后將1.2%C鋼件埋入其中，滲劑上部均勻放入5毫米厚的SiO2粉末，用耐火泥填充箱蓋與箱體間孔隙。將箱體放入一般箱式電爐中加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1000℃時(shí)保溫1小時(shí)。將涂覆箱從爐中取出，測(cè)定Tic的厚度和硬度，厚度為22微米，硬度為HV3500～4000。
實(shí)利2采用的固體涂覆劑成份為45%工業(yè)鈦粉，5%AlCl3，1%稀土氯化物，2%NH4Cl，余為Al2O3。操作程序同上。涂覆溫度900℃，處理時(shí)間1小時(shí)，1.2C%鋼件表面Tic層厚度為15微米，硬度為HV3000～4000。
實(shí)例3采用的固體涂覆劑成份為45%工業(yè)鈦粉，5%AlCl3，1%稀土氯化物，2%NH4Cl，余為Al2O3。按上述程序涂覆，溫度為1000℃，時(shí)間為1小時(shí)。1.0%C鋼，1.45%C鋼，鋼件表面Tic層厚度為16微米(照片5)硬度為HV3000～4000。
權(quán)利要求
1.固體涂覆碳化鈦的方法，先在金屬箱中將含碳的鐵基合金埋入已配好的涂覆劑中，然后用耐火泥把箱蓋與箱體封好之后放在電爐中加熱，其特征在于將鋼件埋入涂覆劑后，在涂覆劑上部放入5-10毫米厚的工業(yè)用SiO2粉末(＞150目)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體涂覆Tic的方法，其特征在于所述的涂覆劑組份為工業(yè)鈦粉(80～150目)30～45%AlCl35～15%稀土氯化物0.5～2%氯化銨2%Al2O3余量
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料熱處理行業(yè)。
文檔編號(hào)C23C10/34GK1040062SQ8810473
公開(kāi)日1990年2月28日 申請(qǐng)日期1988年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月29日
發(fā)明者劉景科, 金滿(mǎn), 張志良 申請(qǐng)人:吉林工業(yè)大學(xué)