一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层及其制备方法和应用。具体地，本发明专利技术公开了一种所述碳化钛纳米晶体涂层的制备方法，所述方法以低压化学气相沉积法在M42钢表面制备所述碳化钛纳米晶体涂层。本发明专利技术还公开了以所述制备方法制得的复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层。所述制备方法具有工艺简单、成本低、安全环保等优点。所述涂层具有摩擦系数适中、与基体M42钢结合力强等特点。

Titanium Carbide Nanocrystalline Coating Compounded on the Surface of M42 Steel and Its Preparation Method and Application

The invention relates to a titanium carbide nanocrystalline coating composite on the surface of M42 steel, a preparation method and application thereof. Specifically, the invention discloses a preparation method of the titanium carbide nanocrystalline coating, which is prepared on the surface of M42 steel by low pressure chemical vapor deposition method. The invention also discloses a titanium carbide nanocrystalline coating composite on the surface of M42 steel prepared by the preparation method. The preparation method has the advantages of simple process, low cost, safety and environmental protection. The coating has the characteristics of moderate friction coefficient and strong bonding force with the matrix M42 steel.

【技术实现步骤摘要】
一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料领域，具体地涉及陶瓷基涂层制备领域，尤其是涉及一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
M42高速钢作为一种耐磨、耐冲击的钢材在螺丝业和锻造业应用广泛，特别是在螺丝制造业被大量使用。作为重要的工业零配件，螺丝在电子产品，机械产品，数码产品，电力设备，机电机械产品等工业产品中有着大量的应用。然而，不同的设备往往处于不同的使用环境，例如，海洋船舶常年在海洋中行驶，其内部环境难免含有大量的水汽和盐类物质。这就要求各类设备中的螺丝能够适应其独特的使用环境。众所周知，M42钢机械性能固然出色，但作为铁基材料，其无法有效抵抗各类化学腐蚀或水汽侵蚀。为了解决M42钢制螺丝抗腐蚀或锈蚀的问题，人们尝试了许多表面防护的办法，包括电镀防护层、刷有机涂层等。各类防护方法制备的防护涂层优缺点各有不同：有些涂层能够使螺丝防腐蚀，却使螺丝的螺纹力学性能受到限制，例如：普通钢制螺丝的摩擦系数一般在0.1-0.2范围内，涂层摩擦系数过大或过小，会导致螺丝无法与螺母正常装卸；有些涂层与螺丝表面结合力不强，无法适应螺丝与螺母的装卸操作而轻易脱落；有些涂层制备方法经济成本高，如采用物理气相沉积法制备防护涂层；有些涂层制备方法的制备过程会产生环境污染，如电镀法、化学镀法等。陶瓷材料的抗酸碱腐蚀和抗盐分腐蚀能力优于一般的铁基金属材料，因而，开发一种性能优异的M42钢表面陶瓷基防护涂层及其制备方法具有十分重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种力学性能优异、防护性能出色的M42钢表面防护涂层及其制备方法和应用。本专利技术的第一方面，提供了一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：1)提供M42高速钢、碳源、钛源和辅助气体；2)将所述M42高速钢置于CVD炉内，在所述辅助气体气氛下，加热CVD炉至沉积保温温度；3)将所述碳源和所述钛源通入所述经加热的CVD炉内，保温第一时间段；4)将所述CVD炉以第一降温速率降温至第二温度，同时停止通入所述碳源和所述钛源；5)在所述CVD炉降温至第二温度后，停止通入所述辅助气体，得到所述复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层。在另一优选例中，所述碳源选自下组：甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、或其组合；和/或所述钛源包括四氯化钛。在另一优选例中，所述碳源为气态。在另一优选例中，所述钛源为液态。在另一优选例中，当所述钛源为液态时，在通入CVD炉之前，所述钛源经汽化处理。在另一优选例中，所述辅助气体为非氧化性气体。在另一优选例中，所述辅助气体选自下组：氢气、氩气、或其组合。在另一优选例中，所述辅助气体具有选自下组的作用：1)作为载体，将经汽化的钛源载入CVD炉；2)作为抗氧化气体，以避免所述碳化钛在沉积过程中发生氧化。在另一优选例中，所述沉积保温温度为1000-1020℃，较佳地1005-1020℃，更佳地1010-1020℃。在另一优选例中，步骤3)进行所述涂层的沉积过程，且步骤3)中，所述辅助气体和所述碳源的流量比为3-10，较佳地4－9。在另一优选例中，步骤3)中，所述碳源的流量为300-1100sccm，较佳地400-1000sccm，更佳地500-900sccm。在另一优选例中，步骤3)中，所述辅助气体的流量为2500-5000sccm，较佳地3000-4500sccm。在另一优选例中，步骤3)中，所述第一时间段为20-100min，较佳地30-80min，更佳地40-70min。在另一优选例中，步骤4)中，所述第一降温速率为4－10℃/min，较佳地4－9℃/min，更佳地5-9℃/min。在另一优选例中，所述第二温度为室温，如25-40℃，较佳地30-35℃。本专利技术的第二方面，提供了一种复合材料，所述复合材料包含：基材；和复合于所述基材表面的涂层，所述涂层为碳化钛纳米晶体涂层；并且所述复合材料是采用本专利技术第一方面所述的制备方法制得的。在另一优选例中，所述基材为M42钢。在另一优选例中，所述复合为化学键合。在另一优选例中，所述碳化钛纳米晶体涂层的摩擦系数为0.1－0.3，较佳地0.12－0.28，更佳地0.15－0.25；和/或所述碳化钛纳米晶体涂层与基材的结合强度为≥30N，较佳地≥40N，更佳地≥50N。在另一优选例中，所述复合材料具有选自下组的一个或多个特征：1)组成所述碳化钛纳米晶体涂层的晶粒的粒径小于200nm，较佳地小于150nm，更佳地小于100nm；2)所述碳化钛纳米晶体涂层的厚度为0.5-3μm，较佳地0.8-2μm，更佳地1-1.5μm；3)所述碳化钛纳米晶体涂层中，所述钛元素的含量为70-80wt％，所述碳元素的含量为20-30wt％。本专利技术的第三方面，提供了一种制品，所述制品包含本专利技术第二方面所述的复合材料或由本专利技术第二方面所述的复合材料制成。在另一优选例中，所述制品选自下组：防腐紧固件、耐腐蚀涂层材料。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1为实施例1获得的复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层1的SEM测试图。图2为实施例1获得的复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层1截面的SEM测试图。图3为实施例1获得的复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层1的XRD测试图。图4为实施例2获得的复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层2的SEM测试图。图5为对比例1获得的复合于M42钢表面的碳化钛晶体涂层C1的SEM图。图6为对比例1获得的复合于M42钢表面的碳化钛晶体涂层C1的XRD图。图7为对比例2获得的复合于M42钢表面的碳化钛晶体涂层C2的SEM图。图8为对比例4获得的复合于M42钢表面的碳化钛晶体涂层C4的SEM图。具体实施方式本专利技术人经过长期而深入的研究，通过调控所述涂层的制备工艺(如沉积保温温度、沉积后降温速率、沉积过程中原料气体流量等)意外地在M42钢表面制备得到一种力学性能优异且防护性能出色的碳化钛纳米晶体涂层。所述制备方法具有工艺简单、成本低、安全环保等优点。所述涂层具有摩擦系数适中、与基体M42钢结合力强等特点。在此基础上，专利技术人完成了本专利技术。制备方法本专利技术提供了一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：1)提供M42高速钢、碳源、钛源和辅助气体；2)将所述M42高速钢置于CVD炉内，在所述辅助气体气氛下，加热CVD炉至沉积保温温度；3)将所述碳源和所述钛源通入所述经加热的CVD炉内，保温第一时间段；4)将所述CVD炉以第一降温速率降温至第二温度，同时停止通入所述碳源和所述钛源；5)在所述CVD炉降温至第二温度后，停止通入所述辅助气体，得到所述复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层。应理解，在本专利技术中，所述沉积保温温度应保持在1000-1030℃之间。当所述沉积保温温度低于1000℃(如对比例2)时，获得的碳化钛纳米晶体涂层表面存在絮状碳化钛纳米墙，影响涂层的结构和摩擦性能；当所述沉积保温温度高于1020℃(如对比例1)时，获得的碳化钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)提供M42高速钢、碳源、钛源和辅助气体；2)将所述M42高速钢置于CVD炉内，在所述辅助气体气氛下，加热CVD炉至沉积保温温度；3)将所述碳源和所述钛源通入所述经加热的CVD炉内，保温第一时间段；4)将所述CVD炉以第一降温速率降温至第二温度，同时停止通入所述碳源和所述钛源；5)在所述CVD炉降温至第二温度后，停止通入所述辅助气体，得到所述复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层。

【技术特征摘要】
1.一种复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)提供M42高速钢、碳源、钛源和辅助气体；2)将所述M42高速钢置于CVD炉内，在所述辅助气体气氛下，加热CVD炉至沉积保温温度；3)将所述碳源和所述钛源通入所述经加热的CVD炉内，保温第一时间段；4)将所述CVD炉以第一降温速率降温至第二温度，同时停止通入所述碳源和所述钛源；5)在所述CVD炉降温至第二温度后，停止通入所述辅助气体，得到所述复合于M42钢表面的碳化钛纳米晶体涂层。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳源选自下组：甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、或其组合；和/或所述钛源包括四氯化钛。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积保温温度为1000-1020℃。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)进行所述涂层的沉积过程，且步骤3)中，所述辅助气体和所述碳源的流量比为3-10。5.如权利要求1所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：马付根，江南，王少龙，杨科，
申请(专利权)人：宁波晨鑫维克工业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33