一种材料处理方法及从该方法得到的产品，在该方法中利用高温化学活化的热等离子体流将金属基板的表面转换成该金属与其氮化物或碳化物的复合结构。该复合热等离子体包含可控制地加入的活化气体、液体或固体物质。所得到的表面层在功能上是逐渐变化到基板的，得出抗分层与剥落的优异结合，并提供明显的硬度增强、抗磨损与侵蚀性、以及抗腐蚀性，并降低摩擦系数。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用热等离子体在金属上生成 功能渐变的复合表面层的方法
本专利技术涉及能形成诸如氮化物、碳化物及其混合物陶瓷结构的金 属的热化学处理与复合材料制造的方法。在文献中描述了在静态环境中实现的若干硬化方法。具体地，其中有借助于用热离子发射源(US专利5， 294， 264与5,443,663 )、盐 浴(US专利5， 518， 605; 6,645,566)、粉末(US专利6， 105， 374) 强化的低温等离子气体，以及借助于低温离子渗氮(US专利6, 179, 933)的等离子渗氮。已提出过离子植入技术(US专利5， 383， 980; 6， 602， 353 )。还存在非静态方法，在其中将可相对于基板移动的激光束指向基 板并在沖击区中产生表面熔化。在相对于激光束的方向保持固定的方 向上将氮吹到基板上，并且还将惰性气体吹到工件上(EP-A-0 491 075)。在该方法中，将氮与惰性气体混合并且激光束与氮-惰性气体流 在工件上会聚从而使气体混合物冲击液体区。为了防止所述区域变成 溅沫，必须限止气流的压力。这一方法有可能获得大于400-1000微米 厚度的钛合金硬化。US 3， 944， 443描述了应用带有氮气与丙烷或BF3的组合的高温诱 导等离子体来达到最高250微米的硬表面层。要涂敷的物体必须是电 绝缘的。US 4， 244， 751描述了用等离子体焊炬(TIG )熔化Al的表面(但 并未描述离子化氮分子)来获得硬表面。所述表面层的厚度<200微米。US 5， 366， 345与4， 451， 302描述了用激光或电子束在氮中熔化表 面来硬化金属基板。用渗氮、渗碳与碳氮共渗热化学处理金属基板表面的方法。本方 法的基础在于使用环境压力下的高温离子化气体弧等离子体流。本专利技术的方法使得在高得多的厚度上(最高但不限于10,000微米)，以快得多的速率及使用比激光或其它弧类设备所需简单得多与价廉的装置 获得硬化成为可能。它能以熔化或不熔化表面来完成。将氮或含氮的气体混合物引导进等离子体流中，其中工件是等离 子体源的一个电极。在非常高的等离子体温度下氮分子分裂成原子而原子电离成离子。离子与气体等离子体流混合，通常为Ar或He、或 Ar与H2的混合物，并以能量上非常活跃的高能离子态到达金属基板 表面。离子的吸收与反应比对应的非离子化分子发生得快得多。此夕卜， 由于金属工件是产生等离子体的一个电极，等离子体流非常快地加热 金属基板表面而该表面能在百分之一秒的数量级上不到一秒的时间内 便能达到接近该金属的熔点的温度。没有表面熔化，基板的渗碳层能达到1亳米或以上的厚度。有表 面熔化，渗碳层能达6毫米或以上的厚度。对于Ti-6A1-4V基板，没 有熔化获得的硬度可在用'Rockwell C方法测定的大约45-85的范围 内。本方法能用于Ti和Ti合金以及Al、 Cr、 Fe、 Co、 Ni、 Nb、 Ta、 V、 Zr、 Mo、 W、 Si与它们的合金。这些金属形成非常硬的氮化物与 碳化物。下面参照用非限制性实施例给出并在附图中示出的具体实施方案 更详细地说明本专利技术，其中附图说明图1示出用于实施本专利技术的等离子体焊炬装置的示意图，包括一 包含非自耗性W电极(2)的等离子体传递电孤(PTA)焊炬(1)， 气体冲击冷却(3)，等离子体流(4)、用于将氮直接输送给等离子体 流(5 )的粉末输送通道，屏蔽气流(6 )，焊炬(弧)气流(7 )、混合 区(8)、 以及具有有或没有表面再熔化的热化学处理区(9)的工件 (10);图2为在Ti-6A1-4V基板上用高温N2等离子体没有熔化形成的腐 蚀的TiN/Ti复合表面层的光学显微图，示出从表面到基板的功能上的 逐渐变化l-TiN层大约60微米厚；2-厚度最高大约100微米的具有7高浓度的氮区；3-厚度大约2000微米的过渡区；4-原始Ti-6A1-4V基 板。各区的硬度是以显微硬度及Rockwell C示出的。图象高度为2500 微米；图3A-3C为用表面熔化生成的腐蚀的TiN/Ti表面层的较高倍率 光学显微图，插入数字表示表面层中不同点的Rockwell C硬度，接近 表面最高并随着离开表面而递降，图示了功能上逐渐变化的界面。基 底Ti-6A1-4V基板的Rockwell C硬度为34-39。图象高度为400微米；图4为图3A中表面区l处的甚高倍率扫掠电子显微图(SEM)， 图示了 TiN层与具有高浓度氮的中心区2(图3B)之间的极好的结合；图5为在图3C中的过渡区3处的腐蚀的TiN/Ti的高倍率光学显 微图，图示了该复合结构。光亮的相为TiN，而阴暗的相为Ti-6-4。 图象高度为100毫微米；以及图6示出经受没有表面熔化的高温热等离子体的Ti-6A1-4V工件 的外观，(a)Ar等离子体，(b)Ar/氮等离子体，显示直接将1\2引入到 等离子体流中的效果。Rockwell C硬度在区a中为34>40，而在区b 中为53-66。图象高度为l英寸。参见图1,为了实施本专利技术，使用了等离子体焊炬(1)，其中工 件构成电极之一，其等离子体流(4)沖击位于距焊炬头(1)大约 10-50mm的距离上的适当金属基板(10 )。将环境压力下的氮或含氮 气体混合物吹过焊炬体(1)内的小直径(l-3mm )喷嘴型圆柱形孔(5 )。 这些圆柱形孔通常用在等离子体传递电弧(PTA)焊炬中将金属或其 它粉末流入到等离子体弧中。氮气流便是这样在大约15°-70°的相对角 上导入等离子体流(4)中的。混合区(8)应位于基板(2)的表面上 方约l-30mm处。气冷喷嘴(3)位于焊炬(1)外面但刚性地固定在 它上面使得在扫掠期间它位于基板上等离子体冲击区的尾部。冷却喷 嘴(3)利用冷却氩气流，该气流是以可根据所需的冷却率选择的可变 角度引入到等离子体加热区(9)上的。处理区中附加的防氧措施是用 屏蔽气体，通常为氩或N2(6)，进行的，它是用焊炬本体中的环形通 道引入的，或者作为替代可用构成防止氧与加热的表面接触的屏蔽的管形装置独立地提供。调节等离子体流(4)的功率及焊炬的位移速度 以便以具有大约5mm至25mm直径与大约lmm至5mm深度的区域 的形态控制金属基板(10)的温度升高程度。氮被吸收并在活化的等 离子混合流(8)与基板(10)之间的接触区中反应。通过将氮气流(5)的速度调节在从大约每秒0.1米(m/s)至大 约10m/s的范围内，使氮穿透进等离子体混合区(8)中而产生含氮离 子的活化氩等离子体。改变氮气流的速度导致处理层(9)的氮含量改 变。改变表面层的组成与结构的另一可能方法为改变扫掠期间的焊炬 运动参数，其中包含向前行进的速率以及摆动速度与宽度。在恒定的 等离子体流(4)功率下，表面层中的氮含量与焊炬速度成反比例关系。 大约10mm/min至大约500mm/min的前进速率是在产生有用的结果 的范围之内。对于Ti-6A1-4V基板的情况，基于具有50。/。的比例的纯TiN和具 有0%的比例的纯Ti在没有熔化的处理之后表面层中N原子对Ti原 子之比为大约5%至大约49%。没有熔化的处理之后的表面硬度最高 可达大约85HRC。在处理后的样品中，表面层的硬度随距表面层的距 离本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种使用等离子体焊炬将含氮气的高温等离子体喷射到工件表面上的在导电工件上提供表面层的方法，所述工件和等离子体弧与焊炬电源构成电路并且所述等离子体具有足够的能量来使氮气离子化，从而将基板的表面加热到低于金属的熔点的温度并导致金属基板与氮离子反应而形成金属和对应的金属氮化物的复合表面层，所述表面层的组成在功能上是逐渐变化的，从而金属氮化物对金属的比值在表面上为最大并在距离表面的某一距离上降低到零，所述表面层相比未反应的金属在硬度上具有实质性的提高，并且所述表面层具有对基板的优异的结合强度足以低抗由热与机械应力作用引起的分层与剥落。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：RS斯托姆，V沙波瓦洛夫，JC威瑟斯，R洛特法，
申请(专利权)人：材料及电化学研究公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。