電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法
2023-10-26 04:21:22 2
專利名稱：電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種合成碳氮化鈦厚膜的方法，特別涉及一種用於鈦和鈦合金構件的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法。
背景技術：
鈦和鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好等優點，在航空航天、航海、化工、機械、冶金、醫療等領域有著重要應用。然而，鈦和鈦合金的硬度低、耐磨性差，嚴重影響了其使用性能。附著碳化鈦、氮化鈦或碳氮化鈦一類硬質膜是提高鈦和鈦合金構件硬度和耐磨性的常用方法。目前，可在鈦和鈦合金表面形成碳化鈦、氮化鈦或碳氮化鈦膜的技術包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子增強化學氣相沉積(PCVD)、離子束增強沉積(IBED)、離子注入、氣體滲氮、等離子滲氮和滲碳、電火花滲碳、熔鹽氮化等方法。其中，PVD、CVD、PCVD和IBED等沉積方法是在真空室中進行，因所沉積碳氮化鈦一類硬質膜的內應力大，膜的厚度不能超過3-5μm，否則，膜的結合強度太低，會自動從鈦和鈦合金表面剝落。離子注入、氣體滲氮、等離子滲氮和滲碳等方法也是在真空室中進行，所形成的碳氮化鈦膜與鈦和鈦合金之間無界面、結合牢固，但厚度較薄(不超過3μm)。電火花滲碳亦稱高能微弧火化滲碳，是一線性技術；其原理類似電焊，是利用碳棒電極在鈦合金工件表面轉動，接觸區產生放電火化而將該區域的碳棒電極瞬間加熱到8000-25000℃汽化滲入鈦合金表面，形成碳化鈦膜；該膜與鈦合金結合牢固，但厚度低於2μm。熔鹽氮化是在450℃的LiCl-KCl-KNO3熔鹽中，通過低電壓(1-5V)使KNO3中的氮還原成活性氮原子、並擴散入鈦合金，經過4小時的處理可在鈦合金表層形成厚約1μm的氮化鈦膜。上述方法的共同缺點是在鈦和鈦合金表面形成的碳化鈦、氮化鈦或碳氮化鈦膜厚度較薄，在較大載荷下膜層易碎而失去強化效果。大量研究表明，碳氮化鈦一類硬質膜厚度的增大可顯著改善碳氮化鈦/鈦合金構件的耐磨性。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種可在鈦和鈦合金表層合成具有牢固結合性能的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法為達到上述目的，本發明採用的技術方案是在由60-90wt％的乙醇胺和40-10wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為450-650V、頻率為50-500Hz、佔空比為10-40％、陰陽極板間距為8-12cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在25-70℃，微弧等離子處理1-3小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於10μm的碳氮化鈦膜。
本發明是在低溫碳氮化合物有機電解液中，利用高電壓微弧放電激活鈦或鈦合金試件表面的碳氮化合物，產生碳、氮等離子體，以合成碳氮化鈦厚膜。所合成的碳氮化鈦膜的厚度遠大於現有技術製備的碳氮化鈦膜。該厚膜呈微米級多孔結構，與鈦和鈦合金之間無界面，具有高的結合強度，硬度高於1500Hv，在潤滑條件下其耐磨性優於PVD和PCVD等技術製備的碳氮化鈦膜。
具體實施例方式
實施例1在由60wt％的乙醇胺和40wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為450V、頻率為100Hz、佔空比為10％、陰陽極板間距為8cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在45℃，微弧等離子處理1小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於10μm的碳氮化鈦膜。
實施例2在由70wt％的乙醇胺和30wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為500V、頻率為50Hz、佔空比為20％、陰陽極板間距為10cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在25℃，微弧等離子處理1.5小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於12μm的碳氮化鈦膜。
實施例3在由80wt％的乙醇胺和20wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為480V、頻率為200Hz、佔空比為16％、陰陽極板間距為12cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在50℃，微弧等離子處理2小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於15μm的碳氮化鈦膜。
實施例4在由75wt％的乙醇胺和25wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為550V、頻率為300Hz、佔空比為28％、陰陽極板間距為9cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在75℃，微弧等離子處理2.5小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於19μm的碳氮化鈦膜。
實施例5在由90wt％的乙醇胺和10wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為600V、頻率為500Hz、佔空比為40％、陰陽極板間距為11cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在70℃，微弧等離子處理3小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於22μm的碳氮化鈦膜。
實施例6在由85wt％的乙醇胺和15wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為650V、頻率為400Hz、佔空比為35％、陰陽極板間距為10cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在62℃，微弧等離子處理2小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於18μm的碳氮化鈦膜。
本發明合成的碳氮化鈦膜的厚度遠大於現有技術製備的碳氮化鈦膜。該厚膜呈微米級多孔結構，與鈦和鈦合金之間無界面，具有高的結合強度，硬度高於1500Hv，在潤滑條件下其耐磨性優於PVD和PCVD等技術製備的碳氮化鈦膜。
權利要求
1.電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由60-90wt％的乙醇胺和40-10wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為450-650V、頻率為50-500Hz、佔空比為10-40％、陰陽極板間距為8-12cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在25-70℃，微弧等離子處理時間為1-3小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於10μm的碳氮化鈦膜。
2.根據權利要求1所述的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由60wt％的乙醇胺和40wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為450V、頻率為100Hz、佔空比為10％、陰陽極板間距為8cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在45℃，微弧等離子處理1小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於10μm的碳氮化鈦膜。
3.根據權利要求1所述的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由70wt％的乙醇胺和30wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為500V、頻率為50Hz、佔空比為20％、陰陽極板間距為10cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在25℃，微弧等離子處理1.5小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於12μm的碳氮化鈦膜。
4.根據權利要求1所述的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由80wt％的乙醇胺和20wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為480V、頻率為200Hz、佔空比為16％、陰陽極板間距為12cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在50℃，微弧等離子處理2小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於15μm的碳氮化鈦膜。
5.根據權利要求1所述的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由75wt％的乙醇胺和25wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為550V、頻率為300Hz、佔空比為28％、陰陽極板間距為9cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在75℃，微弧等離子處理2.5小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於19μm的碳氮化鈦膜。
6.根據權利要求1所述的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由90wt％的乙醇胺和10wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為600V、頻率為500Hz、佔空比為40％、陰陽極板間距為11cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在70℃，微弧等離子處理3小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於22μm的碳氮化鈦膜。
7.根據權利要求1所述的電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，其特徵在於在由85wt％的乙醇胺和15wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為650V、頻率為400Hz、佔空比為35％、陰陽極板間距為10cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在62℃，微弧等離子處理2小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於18μm的碳氮化鈦膜。
全文摘要
本發明公開了一種電解液微弧等離子合成碳氮化鈦厚膜的方法，即在由60－90wt％的乙醇胺和40－10wt％的甲醯胺配製的電解液中，以鈦或鈦合金為陰極、不鏽鋼為陽極，採用脈衝電源在電壓為450－650V、頻率為50－500Hz、佔空比為10－40％、陰陽極板間距為8－12cm的條件下對鈦或鈦合金進行微弧等離子處理，維持電解液溫度在25－70℃，微弧等離子處理1－3小時，即可在鈦或鈦合表層生成厚度大於10μm的碳氮化鈦膜。所合成的碳氮化鈦厚膜與鈦或鈦合金之間無界面，呈微米級多孔結構，具有高的結合強度，硬度高於1500Hv，在潤滑條件下其耐磨性優於物理氣相沉積(PVD)和等離子增強化學氣相沉積(PCVD)等技術製備的碳氮化鈦膜。
文檔編號C23C8/00GK1651594SQ20041007332
公開日2005年8月10日 申請日期2004年11月29日 優先權日2004年11月29日
發明者憨勇, 徐可為 申請人:西安交通大學