專利名稱：復(fù)合滲鍍方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料的表面處理方法，特別是利用等離子化學(xué)氣相沉積(Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD)設(shè)備，在工，模具表面制備復(fù)合滲鍍層的方法。
離子氮化是一種廣泛應(yīng)用的表面硬化技術(shù)，工、模具經(jīng)離子氮化后表面硬度一般為HV0.1800～1000，其耐磨性顯著改善，抗氧化性有所提高，并可改善紅硬性。
以TiN為典型代表的氣相沉積超硬鍍層已廣泛應(yīng)用于金屬切削刀具的表面強(qiáng)化，TiN鍍層顯微硬度為HV0.051800～2200，摩擦系數(shù)低，抗氧化性能也顯著優(yōu)于離子氮化層。TiN鍍層應(yīng)用于高速鋼和硬質(zhì)合金工、模具時(shí)可顯著提高工、模具的使用壽命，其效果顯著優(yōu)于離子氮化層。但氣相沉積超硬鍍層用于多數(shù)合金工具鋼的模具時(shí)，如熱擠壓、熱鍛、冷沖壓模具等，則基本沒(méi)有效果，其原因在于工、模具基體硬度與鍍層硬度差太大，導(dǎo)致重載條件下工作時(shí)鍍層剝落而失效。
TiN鍍層一般在550℃以上開(kāi)始劇烈氧化，故在耐熱合金切削、熱擠壓、熱鍛等高溫工作條件下不適用。
已有技術(shù)中提及TiN和(Ti、Si)CN的日本專利平4-164504為物理氣相沉積法(PVD)，J54158778和美國(guó)專利US005271963A為化學(xué)氣相沉積法(CVD)，單純的物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積均未能解決上面所說(shuō)的存在問(wèn)題。
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，包括工、模具基體硬度與鍍層硬度差太大，導(dǎo)致重載條件下工作時(shí)鍍層剝落而失效的問(wèn)題，以及TiN鍍層在550℃以上開(kāi)始劇烈氧化的問(wèn)題，而提供一種PCVD復(fù)合滲鍍方法。將離子氮化和氣相沉積超硬鍍層工藝復(fù)合起來(lái)，可以充分發(fā)揮氣相沉積鍍層硬度高、抗氧化性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)離子氮化層的存在又改善了表面硬度梯度分布，使之可以適用于重載條件下工作。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到的一種由離子氮化和氣相沉積超硬鍍層兩個(gè)過(guò)程組成的PCVD復(fù)合滲鍍方法，對(duì)工件(3)進(jìn)行離子氮化或碳氮共滲工藝，然后進(jìn)行氣相沉積超硬鍍層。全部工藝過(guò)程是在同一真空爐(2)內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的，其進(jìn)行過(guò)程由氣源(7)提供N2和H2，由兩個(gè)蒸發(fā)器(6)分別蒸發(fā)出Ticl4和Sicl4蒸汽，上述N2和H2和Ticl4和O4各按一定時(shí)間和次序，并經(jīng)流量控制系統(tǒng)(5)的調(diào)控按一定比例輸入到真空爐(2)內(nèi)，在保持真空爐(2)內(nèi)環(huán)境溫度(T1)，工件溫度(T2)，真空度(P)的條件下，在等離子場(chǎng)作用下氣體離化，產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，使工件(3)表面產(chǎn)生一定厚度的滲氮層和(Ti，Si)N系鍍層。沉積速度每小時(shí)2～8μm厚度。
對(duì)滲氮過(guò)程，所說(shuō)的真空度(P)為50～1300Pa。對(duì)氣相沉積過(guò)程，所說(shuō)的真空度(P)為80～600pa。
其中的真空爐(2)采用熱壁爐，爐內(nèi)環(huán)境溫度(T1)為400℃～500℃，工件溫度(T2)為500℃～600℃。
所說(shuō)的N2、H2、Ticl4、Sicl4等各按一定時(shí)間、次序和比例輸入到真空爐(2)內(nèi)，是根據(jù)不同工件的滲鍍層厚度，性質(zhì)和性能要求來(lái)決定的。
氣源(7)還可以提供一定比例的碳?xì)浠衔?，包括甲烷、丙烷、乙炔中的任何一種。
本發(fā)明具有以下效果和優(yōu)點(diǎn)①采用氣相沉積鍍層與離子氮化層結(jié)構(gòu)的復(fù)合滲鍍層表面硬化體系，使表面硬化層綜合性能優(yōu)于單一的滲層或單一的鍍層。
②復(fù)合滲鍍層中的鍍層采用(Ti、Si)N系鍍層。(Ti、Si)N系鍍層的硬度和抗氧化性均優(yōu)于于TiN鍍層③采用雙路蒸發(fā)系統(tǒng)，分別蒸發(fā)Ticl4和Sicl4來(lái)制備(Ti、Si)N系鍍層。通過(guò)調(diào)控Ticl4蒸汽和Sicl4蒸汽的流量比實(shí)現(xiàn)(Ti、Si)N系鍍層中Ti/Si比的連續(xù)調(diào)節(jié)④(Ti、Si)N系鍍層和離子氮化層均用PCVD設(shè)備制備，采用熱壁真空爐，制備時(shí)爐內(nèi)的空間環(huán)境溫度超過(guò)400℃。高的環(huán)境溫度可改善鍍層和滲層的質(zhì)量。復(fù)合滲鍍層的制備在同一臺(tái)PCVD設(shè)備中連續(xù)進(jìn)行，先滲、后鍍。
通過(guò)以下應(yīng)用實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步證實(shí)其效果和優(yōu)點(diǎn)①金屬切削刀具M(jìn)2高速鋼φ28mm錐柄立銑刀，切削2Cr11NiMoVbN8-5耐熱鋼(汽輪機(jī)葉片用鋼)。在切削參數(shù)完全一樣的條件下，經(jīng)PCVD復(fù)合滲鍍表面硬化的銑刀的使用壽命為未使用本發(fā)明的方法硬化銑刀的使用壽命的6～8倍，光潔度提高1級(jí)。
②3Cr2W8V熱鍛模，鍛汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件。未使用本發(fā)明的方法硬化前模具壽命約3000件。經(jīng)復(fù)合滲鍍硬化后，壽命提高至7000～19000件。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的PCVD工藝和設(shè)備原理示意圖。
請(qǐng)參閱圖1①PCVD系統(tǒng)一般由電源1、真空爐2、真空泵4，流量控制系統(tǒng)5、蒸發(fā)器6和氣源7等部分組成。
以常規(guī)的沉積工藝的TiN為例，如下由蒸發(fā)器6蒸發(fā)出Ticl4蒸汽，氣源提供N2和H2，經(jīng)流量控制系統(tǒng)調(diào)控，向真空爐內(nèi)輸送一定比例和流量的Ticl4、H2和N2，在一定的真空度下和電壓電流下，氣體離化，發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果在工件表面沉積TiN鍍層。
②(Ti、Si)N鍍層制備工藝采用雙路蒸發(fā)系統(tǒng)，即2個(gè)蒸發(fā)器6，分別蒸發(fā)Ticl4和Sicl4蒸汽。通過(guò)流量控制系統(tǒng)將一定比例的Ticl4、Sicl4、N2、H2的氣體按一定時(shí)間和次序輸入真空爐，選擇適當(dāng)?shù)臍鈮?，使氣體在一定的電流或電壓下離化，通過(guò)等離子場(chǎng)中的物理和化學(xué)反應(yīng)可在工件表面沉積(Ti、Si)N系鍍層。
本發(fā)明中(Ti、Si)N鍍層中的Ti與Si的成分比例(簡(jiǎn)稱Ti/Si比)，是通過(guò)控制Ticl4和Sicl4蒸汽流量比例來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。Ticl4(流量)/Sicl4(流量)比高時(shí)，鍍層中的Ti/Si比高，反之亦然。鍍層中的Ti/Si比可通過(guò)流量比調(diào)控實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。
先通入一定時(shí)間的Ticl4，后通入Ticl4＋Sicl4混合氣，然后再通入一定時(shí)間的Ticl4，然后再通入一定時(shí)間的Ticl4＋Sicl4混合氣；反復(fù)重復(fù)上述過(guò)程，在N2，H2等其他氣體比例不變的條件下，可形成由TiN層和(Ti，Si)N層重疊構(gòu)成的具有多層結(jié)構(gòu)的(Ti，Si)N復(fù)合鍍層，層數(shù)一般為2～10層。所說(shuō)的一定時(shí)間均根據(jù)不同工件對(duì)鍍層厚度、性質(zhì)和性能要求來(lái)決定的。
除上述氣體外，輸入一定比例的碳?xì)浠衔餁怏w，如甲烷、丙烷、乙炔等任何一種，則可形成(Ti、Si)CN(鈦硅碳氮)鍍層。調(diào)控碳?xì)錃怏w與N2和H2的比例，可連續(xù)調(diào)節(jié)鍍層中的C/N比例。
具有不同Ti/Si比和C/N比的(Ti、Si)N鍍層、(T，S)CN鍍層和由TiN層重疊構(gòu)成的(Ti、Si)N復(fù)合鍍層總稱為(Ti、Si)N系鍍層。
本發(fā)明中(Ti、Si)N系鍍層沉積時(shí)的工作溫度為；環(huán)境溫度為400～500℃，工件溫度為500～600℃。環(huán)境溫度指真空爐中的空間環(huán)境的溫度，主要是采用外熱式熱源加熱。
③滲層制備本發(fā)明中滲層為離子氮化層或離子氮碳共滲層。滲層采用PCVD設(shè)備制備。滲時(shí)的環(huán)境溫度為400～500℃。采用高的環(huán)境溫度是本發(fā)明中滲層工藝的特點(diǎn)。
④復(fù)合滲鍍層的組成本發(fā)明中的復(fù)合滲鍍層是由離子氮化或氮碳共滲層和(Ti、Si)N系鍍層組成。鍍層厚度一般為2～8微米，滲層厚度為30～300微米。
復(fù)合滲鍍層的制備是在同一臺(tái)PCVD設(shè)備中制備的，先制備滲層，后制備鍍層，生產(chǎn)過(guò)程是依次連續(xù)完成的，中間不須停頓。
實(shí)施例1高速鋼鉸刀表面硬化工藝表面復(fù)合滲鍍工藝條件①氮碳共滲溫度500℃，流量比N2∶H2∶CH4＝1∶3∶0.05，電壓500～700V，共滲時(shí)間20～60分鐘，平均滲層厚度40～80μm，表面顯微硬度(滲層)HV0.051100～1200②(Ti、Si)N鍍層溫度500℃流量比Ticl4(含H2載氣)∶Sicl4＝3∶1，N2∶H2＝1∶3，電壓600～800V，沉積時(shí)間30～60分鐘，鍍層厚度2～8μm，鍍層顯微硬度HV0.022400～2600使用效果鉸刀壽命提高2～4倍，加工光潔度提高1極。
實(shí)施例23G2W8V熱鍛模，表面復(fù)合滲鍍工藝條件①離子氮化溫度500℃，流量比N2∶H2＝1∶3，電壓450～700V，滲氮時(shí)間為8～12小時(shí)，平均滲層厚度200～300μm，滲層表面顯微硬度HV0.051000②(Ti，Si)N鍍層溫度500℃，流量比Ticl4(含H2載氣)∶Sicl4＝3∶1，N2∶H2＝1∶3，電壓500～900V，沉積時(shí)間30～60分鐘，鍍層厚度2～8μm，鍍層顯微硬度HV0.022400～2600使用效果模具壽命從3000件提高到7000～10000件。
實(shí)施例3高速鋼銑刀表面復(fù)合滲鍍工藝①離子氮化溫度500℃，流量比N2∶H2＝1∶3，電壓450～700V，平均滲層厚度40～80μm，滲層表面顯微硬度HV0.051100～1200②(Ti，Si)N鍍層溫度500℃，流量比Ticl4(含H2載氣)∶Sicl4＝3∶1，N2∶H2＝1∶3，電壓500～900V，鍍層厚度4～6μm，鍍層顯微硬度HV0.052400～2600使用效果經(jīng)硬化的25mm高速鋼立銑刀切削5CrMnMo材料(硬度HRC43～45)，轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，切削深度(吃刀量)4mm，進(jìn)給速度15mm/分。可連續(xù)切削60分鐘～80分鐘。未強(qiáng)化同類刀具壽命低于2分鐘，切不動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種由離子氮化和氣相沉積超硬鍍層相結(jié)合的復(fù)合滲鍍方法，其特征在于對(duì)工件(3)進(jìn)行離子氮化或碳氮共滲工藝，然后進(jìn)行氣相沉積，全部工藝過(guò)程是在同一真空爐(2)內(nèi)連續(xù)進(jìn)行和完成的，其進(jìn)行過(guò)程由氣源(7)提供N2和H2，進(jìn)行離子氮化，然后由兩個(gè)蒸發(fā)器(6)分別蒸發(fā)出Ticl4和Sicl4蒸汽，上述N2和H2和Ticl4和Sicl4各按一定時(shí)間和次序并經(jīng)流量控制系統(tǒng)(5)的調(diào)控按一定比例輸入到真空爐(2)內(nèi)，在保持真空爐(2)內(nèi)環(huán)境溫度(T1)，工件溫度(T2)，真空度(P)的條件下，氣體離化，產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，使工件(3)表面產(chǎn)生(Ti、Si)N系鍍層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合滲鍍方法，其特征在于對(duì)于滲氮過(guò)程所說(shuō)的真空度(P)為300～1300Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合滲鍍方法，其特征在于對(duì)于氣相沉積過(guò)程所說(shuō)的真空度(P)為80～600Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合滲鍍方法，其特征在于所說(shuō)的爐內(nèi)溫度(T1)為400℃～500℃，工件溫度(T2)為500℃～600℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合滲鍍方法，其特征在于在進(jìn)行氣相沉積過(guò)程中，先通入一定時(shí)間的Ticl4，后通入一定時(shí)間的Ticl4＋Sicl4混合氣，然后再通入一定時(shí)間的Ticl4，以后再通入一定時(shí)間的Ticl4＋Sicl4混合氣，如此反復(fù)多次，使工件表面形成由TiN層和(Ti，Si)N層重疊構(gòu)成的具有多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合鍍層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合滲鍍方法，其特征在于所說(shuō)的氣源(7)還可以提供一定比例的碳?xì)浠衔?，包括甲烷、丙烷、乙炔中的任何一種。
全文摘要
一種PCVD復(fù)合滲鍍表面硬化方法。利用等離子化學(xué)氣相沉積(Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD)設(shè)備，在工、模具表面制備復(fù)合滲鍍層，其中滲層為離子氮化層，鍍層為(Ti、Si)N系鍍層。表面硬化可以改善工、模具的耐磨性、抗氧化性，顯著提高工、模具使用壽命。
文檔編號(hào)C23C8/36GK1128301SQ95117968
公開(kāi)日1996年8月7日 申請(qǐng)日期1995年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月7日
發(fā)明者陶冶 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)