一种氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的制备方法与流程

本发明涉及一种复合涂层，具体涉及一种氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的制备方法。
背景技术：
：随着现代工业的快速发展，在工业加工领域内，对工业切削加工的效率和精度提出了更高的要求，传统的wc基硬质合金材料已经满足不了工业加工日益增长的要求，使用具有高的稳定性、红硬性和耐磨性的ti(c,n)基金属陶瓷切削材料能有效地提高生产效率和产品精度，目前逐渐开始用于切削加工领域；由于其强韧性的限制，ti(c,n)基金属陶瓷材料的进一步发展受到了限制和阻碍；为此将ti(c,n)基金属陶瓷通过一定的方法制备成涂层，可以极大的发挥其高硬耐磨特性，降低其较低的强韧性对使用性能的影响。目前，制备金属陶瓷涂层的方法有激光熔覆、堆焊和等离子喷涂等，但是，受到制备工艺和涂层基材的限制，目前制备出来的ti(c,n)基金属陶瓷涂层还具有陶瓷相分布不均以及涂层与基体结合强度不高的缺陷。本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：现有技术中制备的ti(c,n)基金属陶瓷涂层具有陶瓷相分布不均以及涂层与基体结合强度不高的缺陷。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的制备方法，以解决现有技术中制备的ti(c,n)基金属陶瓷涂层具有陶瓷相分布不均以及涂层与基体结合强度不高的缺陷的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：本发明提供的一种氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的制备方法，包括下述步骤：(1)喷涂氮化铬层：采用激光熔覆的方式在基材上进行喷涂；喷涂时的激光功率为900-1100w，扫描速度为500-700mm/min；(2)喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在步骤(1)喷涂的氮化铬层外侧喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为900-1100w，扫描速度为500-700mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层。进一步的，所述基材为40cr钢、不锈钢、45钢或cr12mov等。进一步的，所述步骤(1)中，喷涂的氮化铬层为1-3层，每层氮化铬层均为0.18-0.22mm。进一步的，所述步骤(1)中，喷涂氮化铬层采用的是粒径为310-340目的氮化铬粉末。进一步的，所述步骤(2)中，喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为2-4层，每层氮化铬层均为0.18-0.22mm。进一步的，所述步骤(2)中，喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层由下述重量百分比的原料进行制备：40-60％ti(c,n)；10-30％a；2-24％mc；0-10％mn；0-10％mb；其中，所述m元素为w、mo、nb、ta、cr和v中的一种或多种；所述a元素为co、ni和fe中的一种或多种；各原料的重量百分比之和为100％。进一步的，各原料的重量百分比分别为：45-55％ti(c,n)；15-25％a；10-22％mc；3-7％mn；3-7％mb。进一步的，各原料的重量百分比分别为：50％ti(c,n)；20％a；20％mc；5％mn；5％mb。进一步的，所述步骤(2)中，喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的制备方法包括下述步骤：①配料：按配比称取原料；②球磨混匀：将步骤①中称取的原料全部倒入球磨机中球磨混合均匀，得到ti(c,n)基金属陶瓷粉末；③造粒：将成型剂加入到步骤②中混合均匀的ti(c,n)基金属陶瓷粉末中，进行ti(c,n)基金属陶瓷粉的造粒，得到球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；④一次粒度筛分：将步骤③得到的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；⑤真空预烧结：将步骤④筛分后收集的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行真空预烧结；⑥二次粒度筛分：将步骤⑤经预烧结后的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末再次进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的粉末作为喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层的喷涂粉末。进一步的，所述步骤③中，所述成型剂为硬脂酸或石蜡，其添加量为原料总重量的3％-5％。进一步的，所述步骤⑤中，所述的真空预烧结为：以18-22℃/min的升温速率升至450-550℃，保温4-6h；再以4-6℃/min的速率升温至1050-1250℃，保温2-4h，完成真空预烧结。基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：本发明提供的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的制备方法，制备出了双层复合结构的金属陶瓷涂层，该双层复合结构的金属陶瓷涂层具有陶瓷相分布均匀以及涂层与基体结合强度高的优势；该方法通过预先在基材上快速制备一层过渡crn涂层，接着在预制备的crn涂层上制备ti(c,n)基金属陶瓷涂层的方法来制备双层复合结构的金属陶瓷涂层；基材与金属陶瓷这两种材料的线膨胀系数差别较大，该方法引入一层线膨胀系数介于两者之间的过渡层(crn涂层)，能够降低基材与金属陶瓷这两种材料之间线膨胀系数的不适配性；此外，基材与金属陶瓷之间的熔点相差也较大，直接在基材上喷涂金属陶瓷时所用的大功率会造成基材熔化剧烈，熔池加大，喷涂在熔池上的金属陶瓷硬质相会被过多的熔池所稀释，涂层硬度和耐磨性会降低，所以采用低功率喷涂中间过渡层结合大功率喷涂金属陶瓷层相结合的方式来减小金属陶瓷涂层的硬度和耐磨性的损失，降低了基材金属的过度熔化对ti(c,n)基金属陶瓷涂层中硬质相比例的稀释作用，并且，氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层与基体界面处为冶金结合，界面结合强度高，即基体结合强度，本发明解决了ti(c,n)基金属陶瓷涂层与基体之间缺陷多的难题。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例4中制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的20扫描电镜图，放大倍数为100x；图2是本发明对比例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x；图3是本发明对比例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x；图4是本发明对比例3中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的扫描电镜图；放大倍数为85x；图5是本发明实施例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末的扫描电镜图，放大倍数为100x；图6是本发明实施例4中制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x；图7是本发明实施例10中制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的扫描电镜图，放大倍数为200x；图8是本发明实施例4中两个碳氮化钛基金属陶瓷造粒颗粒界面的扫描电镜形貌，放大倍数为2000x。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。一、制备碳氮化钛基金属陶瓷粉末实施例1-实施例3中制备碳氮化钛基金属陶瓷粉末的原料(各原料按重量百分比计)如下表1所示，各原料的粉末粒度均在1-4微米之间：表1实施例1-实施例3原料表实施例1：制备方法，包括下述步骤：①配料：按配比称取原料；②球磨混匀：将步骤①中称取的原料全部倒入球磨机中球磨混合均匀，得到ti(c,n)基金属陶瓷粉末；③造粒：将成型剂加入到步骤②中混合均匀的ti(c,n)基金属陶瓷粉末中，进行ti(c,n)基金属陶瓷粉的造粒，得到球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；所述成型剂为硬脂酸，其添加量为原料总重量的4％；④一次粒度筛分：将步骤③得到的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；⑤真空预烧结：将步骤④筛分后收集的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行真空预烧结；所述的真空预烧结工艺为以20℃/min的升温速率升至500℃，保温5h；再以5℃/min的速率升温至1150℃，保温3h，完成真空预烧结；⑥二次粒度筛分：将步骤⑤经预烧结后的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末再次进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的粉末作为喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层的喷涂粉末。实施例2：制备方法，包括下述步骤：①配料：按配比称取原料；②球磨混匀：将步骤①中称取的原料全部倒入球磨机中球磨混合均匀，得到ti(c,n)基金属陶瓷粉末；③造粒：将成型剂加入到步骤②中混合均匀的ti(c,n)基金属陶瓷粉末中，进行ti(c,n)基金属陶瓷粉的造粒，得到球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；所述成型剂为石蜡，其添加量为原料总重量的5％；④一次粒度筛分：将步骤③得到的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；⑤真空预烧结：将步骤④筛分后收集的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行真空预烧结；所述的真空预烧结工艺为以22℃/min的升温速率升至550℃，保温4h；再以6℃/min的速率升温至1250℃，保温2h，完成真空预烧结；⑥二次粒度筛分：将步骤⑤经预烧结后的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末再次进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的粉末作为喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层的喷涂粉末。如图5所示，为实施例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末的扫描电镜图，放大倍数为100x。实施例3：制备方法，包括下述步骤：①配料：按配比称取原料；②球磨混匀：将步骤①中称取的原料全部倒入球磨机中球磨混合均匀，得到ti(c,n)基金属陶瓷粉末；③造粒：将成型剂加入到步骤②中混合均匀的ti(c,n)基金属陶瓷粉末中，进行ti(c,n)基金属陶瓷粉的造粒，得到球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；所述成型剂为硬脂酸，其添加量为原料总重量的3％；④一次粒度筛分：将步骤③得到的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末；⑤真空预烧结：将步骤④筛分后收集的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末进行真空预烧结；所述的真空预烧结工艺为以18℃/min的升温速率升至450℃，保温6h；再以4℃/min的速率升温至1050℃，保温4h，完成真空预烧结；⑥二次粒度筛分：将步骤⑤经预烧结后的球形ti(c,n)基金属陶瓷粉末再次进行粒度筛分，收集粒度为170-325目的粉末作为喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层的喷涂粉末。二、制备氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层实施例4：(1)喷涂氮化铬层：采用激光熔覆的方式在基材(40cr钢)上进行喷涂；喷涂时的激光功率为1000w，扫描速度为600mm/min；喷涂的氮化铬层为2层，每层氮化铬层均为0.2mm；喷涂氮化铬层采用的是粒径为325目的氮化铬粉末；(2)喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在步骤(1)喷涂的氮化铬层外侧喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为1000w，扫描速度为600mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层；喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为3层，每层氮化铬层均为0.2mm；喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。如图1所示，为实施例4中制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的扫描电镜图，放大倍数为100x。如图8所示，为实施例4中两个碳氮化钛基金属陶瓷造粒颗粒界面的扫描电镜形貌，放大倍数为2000x；涂层与基体之间的界面处没有裂纹，且界面处存在明显的碳氮化钛相的扩散，证明两种材料之间产生了冶金结合，提高了金属陶瓷层中硬质相的均匀性，该种形式的界面结合强度较高。实施例5：(1)喷涂氮化铬层：采用激光熔覆的方式在基材(不锈钢)上进行喷涂；喷涂时的激光功率为900w，扫描速度为500mm/min；喷涂的氮化铬层为3层，每层氮化铬层均为0.18mm；喷涂氮化铬层采用的是粒径为340目的氮化铬粉末；(2)喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在步骤(1)喷涂的氮化铬层外侧喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为900w，扫描速度为500mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层；喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为2层，每层氮化铬层均为0.22mm；喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。实施例6：(1)喷涂氮化铬层：采用激光熔覆的方式在基材(45钢)上进行喷涂；喷涂时的激光功率为1100w，扫描速度为700mm/min；喷涂的氮化铬层为1层，每层氮化铬层均为0.22mm；喷涂氮化铬层采用的是粒径为310目的氮化铬粉末；(2)喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在步骤(1)喷涂的氮化铬层外侧喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为1100w，扫描速度为700mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层；喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为4层，每层氮化铬层均为0.18mm；喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。实施例7：本实施例与实施例4不同的是：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。如图6所示，为本实施例中制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x。实施例8：本实施例与实施例5不同的是：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。实施例9：本实施例与实施例6不同的是：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。实施例10：本实施例与实施例4不同的是：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例3中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。如图7所示，为本实施例中制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层的扫描电镜图，放大倍数为200x，氮化铬涂层厚度为0.4954mm(在实际喷涂中因为基材发生局部熔化与喷涂粉末相互扩散，会使得涂层比设计的厚度厚一些)。实施例11：本实施例与实施例5不同的是：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例3中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。实施例12：本实施例与实施例6不同的是：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例3中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。三、对比例对比例1：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在基材(40cr钢)上喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为1000w，扫描速度为600mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层；喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为3层，每层氮化铬层均为0.2mm；喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。如图2所示，为对比例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x，涂层中存在明显的孔洞。对比例2：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在基材(不锈钢)上喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为900w，扫描速度为500mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层；喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为2层，每层氮化铬层均为0.22mm；喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。如图3所示，为对比例2中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x，涂层中存在明显的开裂。对比例3：喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层：采用激光熔覆的方式在基材(45钢)上喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层，喷涂时的激光功率为1100w，扫描速度为700mm/min；喷涂完成后得到氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层；喷涂的碳氮化钛基金属陶瓷涂层为4层，每层氮化铬层均为0.18mm；喷涂碳氮化钛基金属陶瓷涂层采用的喷涂粉末为实施例1中制备的碳氮化钛基金属陶瓷粉末。如图4所示，为对比例3中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层的扫描电镜图，放大倍数为85x，涂层中存在明显的夹杂与孔隙。四、性能检测将本发明实施例4-12制备的氮化铬-碳氮化钛基金属陶瓷复合涂层以及对比例1-3中制备的碳氮化钛基金属陶瓷涂层进行性能对比检测，检测结果如下表2所示；表2性能检测结果硬度(hv30)摩擦系数实施例410600.463实施例511300.441实施例68790.480实施例79660.397实施例810040.403实施例98900.398实施例1011270.375实施例1112060.324实施例1210810.407对比例19030.650对比例210450.779对比例36020.623以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12