一种金属钒表面超硬陶瓷渗层、其制备方法、金属钒材料与流程

本发明属于金属材料表面处理技术，具体涉及一种金属钒表面超硬陶瓷渗层、其制备方法及带有该金属钒表面超硬陶瓷渗层的金属钒材料及其用途。

背景技术：

1、钒是一种具有银灰色光泽的难熔金属，其熔点为1890℃，沸点为3380℃。纯钒在常温下有较好的塑性以及成型能，相对其他难熔金属纯钒有较低的韧脆转变温度，在高温时有较好的抗蠕变能力。广泛应用于钢铁优化、化学催化、新型电池、航空航天发动机零部件以及核工业等领域。然而金属钒表面硬度低，耐磨性差，抗高温氧化性能差，影响了金属钒在高温服役时的使用性能，也限制金属钒的使用范围。

2、碳化钒(vc)是过渡金属碳化物中最重要的功能材料之一，具有一系列优异的性能，如高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损、比重小、稳定性好以及良好的导电、导热性等，碳化钒的另一项重要用途是作为重要的硬质合金添加剂或作为涂层提高合金表面硬度。国内外为提高硬质合金和铁基金属陶瓷的强度和硬度，常在硬质合金和钛基金属陶瓷中加入碳化钒作为颗粒强化相。碳化钒还广泛用于机械加工，冶金矿产，航天航空，微电子，催化等领域。

3、制备碳化钒复合涂层的方法包括：气相还原法、碳热还原法、机械合金法等。但使用上述方法制备的碳化钒复合涂层的硬度不高，而且使用上述方法制备的碳化钒复合涂层与基体的结合不够紧密，一定程度上影响了材料的使用性能和使用寿命。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种金属钒表面超硬陶瓷渗层、制备方法及金属钒材料，具体包括以下内容：

2、本发明的第一方面，是提供一种金属钒表面超硬陶瓷渗层，主要为vc相；所述超硬陶瓷渗层的表面硬度为hv1350～hv3500，超硬陶瓷渗层厚度为10μm～100μm。所述表面硬度可以达到hv1350、hv2000、hv2500、hv3000、hv3500等；所述厚度可以是10μm、20μm、50μm、80μm、90μm、100μm等。需要注意的是，本发明所述金属钒优选为纯金属钒。

3、优选的，所述超硬陶瓷渗层在高温熔融金属铈中腐蚀速率为0.0785-0.0930μm/h(例如0.0785μm/h、0.0810μm/h、0.0850μm/h、0.0900μm/h、0.0930μm/h等)。金属钒渗碳后在高温熔融金属铈中的腐蚀速率的确定方法为：根据样品失重质量m，样品表面积s，渗层物质密度ρ和腐蚀时间t，利用公式η＝m/s/ρ/t，计算得出渗碳后金属钒样品的腐蚀速率在0.0785-0.0930μm/h范围内。

4、本发明的第二方面，是提供本发明第一方面所述金属钒表面超硬陶瓷渗层的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)基体预处理：将金属钒基体表面进行打磨，然后超声清洗；

6、(2)碳源气氛配置：按不同通气时间调整碳源气氛及惰性气氛比例；

7、(3)渗碳：将步骤(1)处理好的金属钒基体放入真空设备中，确定步骤(2)碳源气氛配置在800-1400℃(例如800℃、850℃、1200℃、1400℃等)保温1-10h(例如4h、5h、6h、7h等)，气氛压力为200-2000pa(例如400pa、800pa、1500pa、2000pa等)，得到处理后的金属钒；

8、(4)后处理：取出步骤(3)处理后的金属钒，清洁表面。

9、优选的，所述步骤(1)打磨方法为200目-2000目用砂纸打磨或用抛光材料抛光，所述超声清洗所用清洗剂为丙酮或酒精。采用本发明公开的基体预处理方法，可以使金属钒基体表面更加光滑和洁净，有利于提高渗层与基体的结合力。

10、优选的，所述步骤(2)碳源气氛配置的方法为用真空系统脉冲程序控制。采用脉冲的方法有利于提高真空渗步骤的反应效率，也有利于提高渗层的硬度和均匀性。

11、优选的，所述步骤(2)将金属钒基体放入真空设备中，确定碳源气氛配置，所述碳源气氛配置可以选择以下四种中的一种或多种组合：

12、第一种：(5～10min乙炔)+(60～500min氮气)(例如5min乙炔+450min氮气、8min乙炔+300min氮气、10min乙炔+500min氮气等)；

13、第二种：(5～10min乙炔)+(60～500min氩气)(例如5min乙炔+400min氩气、6min乙炔+300min氩气、9min乙炔+350min氩气等)；

14、第三种：(5～10min甲烷)+(60～500min氩气)(例如7min甲烷+450min氩气、6min甲烷+300min氩气、10min甲烷+350min氩气等)；

15、第四种：(5～10min甲烷)+(60～500min氮气)(例如5min甲烷+500min氮气、6min甲烷+400min氮气、8min甲烷+430min氮气等)。

16、优选的，所述步骤(4)清洁表面的方法为：将金属钒依次放入清水、酒精中超声清洗。

17、本发明的第三方面，是提供带有本发明第一方面所述的金属钒表面超硬陶瓷渗层或带有本发明第二方面所述的制备方法所得到金属钒表面超硬陶瓷渗层的金属钒材料。这种金属钒材料可广泛应用于钢铁优化、化学催化、新型电池、航空航天发动机零部件以及核工业等领域。

18、本发明的有益效果：

19、(1)本发明公开的超硬陶瓷相碳化物渗层，包含vc相，通过对渗层成分的合理设计，有效提高了碳化物渗层的硬度和与基体的结合力，其表面硬度为hv1350～hv3500，渗碳层与基体之间的结合强度为20n～35n，进而提高金属钒表面的耐磨耐腐蚀性能，经测试，超硬陶瓷相碳化物渗层在高温熔融金属铈中腐蚀速率在0.0785-0.0930μm/h。

20、(2)本发明所公开的金属钒表面超硬陶瓷渗层的制备方法的步骤(3)高温处理的设备为真空热处理炉，通过设置碳源气氛配置，热处理的条件为：800-1400℃下保温1-10h，气氛压力为200-2000pa，可在金属钒表面形成超硬陶瓷层，而且制备方法非常便于大批量生产，产品质量容易控制，所需设备简单，投资少。

21、(3)本发明利用真空脉冲渗碳方法，获得了具有耐磨耐腐蚀的超硬陶瓷相碳化物渗层的金属钒材料，其表面硬度可以达到hv1350～hv3500，渗层厚度在10～100μm范围内可调，而且渗碳层与基体之间的结合强度高，结合力在20～35n范围内。此外，所述金属钒材料还有优越的耐腐蚀性能，在高温熔融金属铈中腐蚀速率在0.0785-0.0930μm/h范围内，可满足严苛环境下的耐腐蚀需求。

技术特征：

1.一种金属钒表面超硬陶瓷渗层，其特征在于，主要为vc相；所述超硬陶瓷渗层的表面硬度为hv1350～hv3500，超硬陶瓷渗层厚度为10～100μm。

2.根据权利要求1所述的金属钒表面超硬陶瓷渗层，其特征在于，所述超硬陶瓷渗层在高温熔融金属铈中腐蚀速率为0.0785-0.0930μm/h。

3.一种权利要求1或2所述的金属钒表面超硬陶瓷渗层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求4所述的一种金属钒表面超硬陶瓷渗层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)打磨方法为用200目-2000目砂纸打磨或用抛光材料抛光，所述超声清洗所用清洗剂为丙酮或酒精。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)碳源气氛配置的方法为用真空系统脉冲程序控制，碳源气氛配置为(5～30min)乙炔或甲烷+(60～500min)氮气、氩气中的一种或多种的组合，气氛压力为200-2000pa。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)清洁表面的方法为：将金属钒依次放入清水、酒精中超声清洗。

7.一种带有权利要求1或2所述的金属钒表面超硬陶瓷渗层，或者带有权利要求3-6任意一项所述的制备方法所制备的金属钒表面超硬陶瓷渗层的金属钒材料。

8.一种权利要求7所述的金属钒材料的用途，是应用于钢铁优化、化学催化、新型电池、航空航天发动机零部件以或核工业领域。

技术总结本发明公开了一种金属钒表面超硬陶瓷渗层、制备方法及金属钒材料，本发明利用真空脉冲渗碳方法，将金属钒基体放入真空设备中，然后在800‑1400℃的碳源气氛及惰性气氛中保温，金属钒表面可获得耐磨耐腐蚀的超硬陶瓷相碳化物渗层；该渗层具有优良的综合性能，其表面硬度可以达到HV1350～HV3500，且渗碳层与基体之间的结合强度高，结合力在20～35N范围内；此外，所述渗层还具有优越的耐腐蚀性能，在高温熔融金属铈中腐蚀速率在0.0785‑0.0930μm/h范围内；用上述方法所制备的金属钒材料，可广泛应用于钢铁优化、化学催化、新型电池、航空航天发动机零部件以及核工业等领域。技术研发人员：赵满圆,闫晓东受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11