以三聚氰胺為碳氮前驅(qū)體制備含Ti(C,N)涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陶瓷/金屬?gòu)?fù)合涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種以有機(jī)化合 物-三聚氰胺為碳氮前驅(qū)體在鐵基體上制備含碳氮化鈦增強(qiáng)鐵鎳基復(fù)合涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 制備Ti (C，N)基金屬陶瓷的主要方法有粉末冶金法如自蔓延高溫合成法及燒結(jié) 法；其次還有沉積法如化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體沉積等；以及反應(yīng)鑄造法 和原位合成技術(shù)如激光或等離子熔覆原位合成技術(shù)等。其中粉末冶金法采用TiC、TiN或 Ti(C，N)粉末作為硬質(zhì)相，Ni、Mo、Co等為粘結(jié)相，球磨后壓制成形，置于真空或可控氣氛下 進(jìn)行燒結(jié)，采用熱等靜壓、熱壓技術(shù)使其致密化，目前該方法主要用于制備Ti (C，N)塊體材 料，燒結(jié)過(guò)程中的冶金反應(yīng)包括原料粉末各組元之間的相互作用及脫氣、吸氣過(guò)程、燒結(jié)環(huán) 境及氣氛、工藝流程及參數(shù)、成形劑類(lèi)型及組分等對(duì)Ti (C，N)基金屬陶瓷的性能均有重要 影響，且上述方法普遍存在設(shè)備價(jià)格昂貴、能耗大、成本高、工藝復(fù)雜、涂層厚度小、對(duì)工件 的尺寸要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，很難滿(mǎn)足農(nóng)機(jī)刀具耐磨性高、沖擊大、集中工作強(qiáng)度高等要求，因 而限制了其在農(nóng)機(jī)刀具中的應(yīng)用。
[0003] 采用粉末液相燒結(jié)工藝制備Ti (C，N)基金屬陶瓷時(shí)，燒結(jié)時(shí)可能會(huì)發(fā)生脫氮或增 氮反應(yīng)，引起材料成分和性能的變化，因此其工藝難點(diǎn)是對(duì)燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制以保持 其氣氛的穩(wěn)定性。在制備Ti (C，N)、TiC、TiN涂層的方法中，如激光熔覆一激光氣體氮化方 法制取Ti (C，N) -TiN復(fù)合熔覆層、氮弧熔覆TiCN/Fe涂層、電火花沉積反應(yīng)合成TiN增強(qiáng)金 屬基復(fù)合涂層等，這些方法基本上都是以隊(duì)氣為氮源，利用高能熱源在基體表面原位合成 含Ti (C，N)復(fù)合涂層，在其原位反應(yīng)過(guò)程中，主要發(fā)生氣-固反應(yīng)或氣-液反應(yīng)，氮源與Ti 接觸不充分，導(dǎo)致反應(yīng)生成的新生相氮含量偏低，雖然可通過(guò)加大N2流量的方法來(lái)提高熔 覆涂層中氮元素含量，但伴隨N 2流量在一定范圍內(nèi)的提高，熔覆過(guò)程中熱源能量密度增大 (氮弧熔覆時(shí)，氮弧的能束密度、焓值比氬弧高），導(dǎo)致熔池溫度升高，易造成涂層組分嚴(yán)重 燒損，甚至導(dǎo)致基體材料被過(guò)度熔化，而且在熔覆過(guò)程中要求隊(duì)純度很高，在常溫條件下氮 氣的密度低于空氣，而加熱后的氮?dú)饷芏葎t更小，因此在熔覆過(guò)程中氮?dú)鈱?duì)熔池的保護(hù)性 顯著降低，同時(shí)也不可避免地夾雜著空氣卷入保護(hù)氣流中，因而會(huì)產(chǎn)生其他有害物相，使涂 層性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種成本低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便于稱(chēng)量、取量精準(zhǔn) 的以三聚氰胺為碳氮前驅(qū)體制備含Ti (C，N)涂層的方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種以三聚氰胺為碳氮前驅(qū) 體制備含Ti (C，N)涂層的方法，其特征在于：包括如下步驟：
[0006] (1)石墨相g_C3N4的制備
[0007] 將三聚氰胺裝入密封的高壓反應(yīng)釜中在高溫高壓下煅燒4h，然后待高壓反應(yīng)釜 冷卻至室溫，取出釜中的淡黃色粗產(chǎn)品進(jìn)行洗滌、抽濾、真空干燥得到黃色粉末樣品石墨相 g-C3N4；
[0008] (2)基體預(yù)處理
[0009] 對(duì)基體金屬進(jìn)行噴砂粗化、表面清潔、吹干得基體主體；
[0010] (3)預(yù)置涂覆層及干燥
[0011] 將步驟⑴中的石墨相g_C3N4粉與鈦粉、碳化鎢粉、合金粉Ni60A按質(zhì)量比例配成 混合粉末用膠水調(diào)成膏狀，然后均勻涂覆在步驟（2)中的基體主體，進(jìn)行干燥得半成品；
[0012] (4)等咼子恪覆
[0013] 利用等離子堆焊機(jī)在保護(hù)氣與離子氣的狀態(tài)下，對(duì)步驟（3)中的半成品表面的涂 覆層進(jìn)行熔覆；
[0014] (5)成品
[0015] 待步驟（4)熔覆結(jié)束后，在保護(hù)氣保護(hù)下冷卻至室溫得具有Ti (C，N)涂層的成品。
[0016] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，步驟⑴煅燒時(shí)溫度為500~60(TC，壓強(qiáng)為大于 0.2MPa〇
[0017] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，步驟（1)洗滌時(shí)以蒸餾水、稀鹽酸、蒸餾水的順序洗滌 2~3次。
[0018] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，步驟（2)中利用99. 5%的丙酮清洗表面。
[0019] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，步驟（3)的具體步驟為：步驟（3)的具體步驟為：按質(zhì) 量百分比將步驟⑴中制備的石墨相g-C 3N420%~30%與Ti 20%~30%、WC 5%~15%、 Ni60A 30%~40%配比，放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨、攪拌混合，用膠水把混合均勻的粉末調(diào)制 成膏狀，均勻涂敷在步驟（2)中的基體主體表面上，預(yù)涂厚度為1.0-2. 0_，涂刷完成后，放 入鋼夾板中加壓排出氣泡并使之平整，使粉末膏體與基體結(jié)合良好，將其連同夾板一起放 入真空鼓風(fēng)干燥箱中干燥得半成品。
[0020] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，步驟（4)中具體工藝參數(shù)如下：熔覆電流：180-200A ;掃 描速度：2. 0-2. 5mm/s ;保護(hù)氣流量：6~8L/min ;離子氣流量：0. 6-0. 8L/min ;工作距離： 4_8mm〇
[0021] 進(jìn)一步的技術(shù)方案還在于，步驟（4)中具體工藝參數(shù)如下：步驟（4)中的保護(hù)氣及 離子氣均為氬氣。
[0022] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明以成本低廉的含碳氮元素有機(jī) 化合物-三聚氰胺為碳氮的前驅(qū)體，預(yù)先制備好高氮含量氮化碳粉末，以此作為原位合成 含Ti (C，N)金屬陶瓷復(fù)合涂層中的固體碳氮源，這種粉末狀固體氮源結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便于稱(chēng)量、 取量精準(zhǔn)，而固體氮源量的多少會(huì)直接影響到熔覆后原位反應(yīng)最終產(chǎn)物的物相組成、涂層 結(jié)構(gòu)及性能，因此本發(fā)明改變固體氮源的質(zhì)量分?jǐn)?shù)便于精準(zhǔn)調(diào)控涂層組織結(jié)構(gòu)及性能，以 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，也為農(nóng)機(jī)材料乃至工模具表面強(qiáng)化提供一種新方法。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0024] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例復(fù)合涂層橫截面掃描電鏡SEM總體形貌圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例復(fù)合涂層橫截面局部放大圖；
[0026] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例復(fù)合涂層X(jué)射線(xiàn)衍射圖；
[0027] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例三聚氰胺在高壓反應(yīng)釜中熱分解所得產(chǎn)物的X-射線(xiàn)粉末衍 射圖；
[0028] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例三聚氰胺在高壓反應(yīng)釜中熱分解所得產(chǎn)物的傅里葉變換紅 外光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以 采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的 情況下做類(lèi)似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。
[0031] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0032] (1)石墨相g_C3N4的制備
[0033] 將純?nèi)矍璋费b入不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，用石墨密封高壓反應(yīng)釜蓋，放入馬弗爐 中煅燒，4h后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，開(kāi)釜后得到淡黃色粗產(chǎn)品，取出淡黃色產(chǎn)品以 蒸餾水、稀鹽酸、蒸餾水的順序洗滌、抽濾，將黃色濾餅置入真空干燥箱中真空干燥，得到黃 色粉末樣品，其化學(xué)反應(yīng)式為：
[0034]
[0035] (2)基體預(yù)處理
[0036] 將基體金屬除去其表面的鐵銹、油污和氧化層等雜質(zhì)，直至出現(xiàn)金屬光澤，噴砂粗 化，再用99. 5%的丙酮及清洗其表面，用高壓空氣吹干備用。
[0037] (3)預(yù)置涂覆層及干燥
[0038] 用天平按質(zhì)量百分比將步驟（1)中制備的石墨相g_C3N420%~30%與Ti 20%~ 30%、WC 5%~15%、Ni60A 30%~40%配比，，將其放入行星式球磨機(jī)罐體中進(jìn)行球磨、 攪拌混合，用膠水把混合均勻的粉末調(diào)制成膏狀，均勻涂敷在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面上，預(yù) 涂厚度為I. 0-2. 0mm，涂刷完成后，放入自制的鋼夾板中加壓排出氣泡并使之平整，使粉末 膏體與基體結(jié)合良好，將夾板連同工件一起放入真空鼓