專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鈦合金低溫表面滲氮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料的表面處理方法，尤其是一種鈦合金的表面處理方法，具體地說(shuō)是一種鈦合金低溫表面滲氮方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗蝕性?xún)?yōu)異等突出優(yōu)點(diǎn)，是最有希望代替合金鋼制造傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功能部件的輕量化材料。例如，鈦合金TC21是我國(guó)自行研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種α+β型鈦合金，其具有高強(qiáng)度(Rm彡llOOMPa)、高韌性(K1。彡70MPa^ )、高損傷容限(較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN值和較高的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值A(chǔ)Kth)和優(yōu)異的抗疲勞性能(優(yōu)于普通TC4、TA15等中等強(qiáng)度鈦合金)等綜合性能相匹配。與美國(guó) 第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22上大量應(yīng)用Ti-6-22-22高強(qiáng)高損傷容限型鈦合金的性能相當(dāng)，是目前我國(guó)高強(qiáng)韌鈦合金綜合力學(xué)性能匹配最佳的鈦合金，適用于新一代戰(zhàn)機(jī)的中后機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)附近和起落架等部位對(duì)強(qiáng)度及耐久性要求高的重要或關(guān)鍵承力部件。但其缺點(diǎn)也比較突出一是鈦合金的摩擦學(xué)性能較差，對(duì)粘著磨損和微動(dòng)磨損非常敏感；二是在還原性介質(zhì)如鹽酸、稀硫酸等中耐腐蝕性能較差，因而它的應(yīng)用受到限制。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈦合金表面耐磨、耐腐蝕性的關(guān)注度越來(lái)越高，也同時(shí)出現(xiàn)了不同的鈦合金表面化學(xué)熱處理方法來(lái)提高鈦合金表面耐磨和耐腐蝕性能，其中主要是采用表面改性技術(shù)(如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、激光表面處理、離子滲氮、熱氧化和固體擴(kuò)散等)，使鈦及鈦合金表面形成氮化物、碳化物和硼化物等硬質(zhì)相，從而提高其表面硬度和耐磨性。目前，在金屬表面熱處理強(qiáng)化技術(shù)中，表面沉積形成的強(qiáng)化層與基體的結(jié)合力較差；離子/等離子滲氮工藝具有局限性，難以規(guī)?；茝V；激光表面處理形成合金化層，其殘余拉應(yīng)力較大，易形成裂紋；而表面化學(xué)熱處理強(qiáng)化是通過(guò)固溶間隙原子或形成新的強(qiáng)化相，保留心部硬度不變，對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，使金屬表面硬度顯著提高，滲層與基體冶金結(jié)合，結(jié)合性能好的一種工藝方法。鈦合金表面化學(xué)熱處理方法有滲氮、滲碳、碳氮共滲等。低溫滲氮與其它表面化學(xué)熱處理工藝相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于其較低的熱處理溫度(50(T600°C)，理想溫度為580°C。通常，可以在完全調(diào)質(zhì)與回火的條件下對(duì)零件進(jìn)行滲氮，而不會(huì)對(duì)基體的組織及主要性能造成負(fù)面影響，是一個(gè)快速便捷、靈活方便、經(jīng)濟(jì)高效、可控性強(qiáng)的工藝過(guò)程。低溫滲氮的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于降低了產(chǎn)生變形的可能性。這樣，零件就可以通過(guò)機(jī)械加工得到最終的尺寸，而無(wú)須花費(fèi)昂貴的精加工過(guò)程。因此，低溫滲氮的實(shí)用性和有效性，一直受到國(guó)內(nèi)外廣泛研究。但目前低溫滲氮的化學(xué)熱處理方法所對(duì)應(yīng)的材料大多為不銹鋼、IF鋼、低碳鋼、中碳鋼，鈦合金低溫表面滲氮國(guó)內(nèi)外少有提及。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金的低溫表面滲氮方法，它尤其適用于適合新型損傷容限型鈦合金TC21低溫表面滲氮。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是它包括鈦合金的表面處理、滲氮試劑的制備及表面化學(xué)熱處理。鈦合金的表面處理包括
O噴砂
采用粒度為8(Γ120目的砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，控制工作氣壓O. 3^0. 7MPa，噴砂時(shí)間10 15分鐘；
2)研磨
把噴砂后的鈦合金置于低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用研磨壓力為O. 05、. 075MPa，偏心距為6(T70mm，轉(zhuǎn)速為10(Tl20rpm，粒徑為20 28 μ m的Al2O3固結(jié)磨料拋光墊先進(jìn)行粗研磨15 20分鐘；之后采用研磨壓力為O. 025 O. 05MPa，偏心距為60 70臟，轉(zhuǎn)速為15(Tl80rpm，粒徑為1(Γ14 μ m為Al2O3固結(jié)磨料拋光墊研磨2(Γ30分鐘完成精研磨處理；
3)拋光及清洗
把研磨后的鈦合金在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用研磨壓力為O. 02、. 05MPa，偏心距為3(T50mm,轉(zhuǎn)速為18(T200rpm,磨粒粒徑為5 8 μ m的稀土氧化鋪固結(jié)磨料拋光墊研磨時(shí)間 15 20分鐘拋光至表面粗糙度RaO. θΓθ. 07Mm，然后進(jìn)行表面清洗。滲氮試劑的制備是指
將氰酸鈉(NaCNO)粉末和氰酸鉀(KCNO)顆粒的混合物與稀土氧化鈰(CeO2)粉末放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌15 25分鐘，使NaCN0、KCN0和CeO2充分均勻混合，得到滲氮試劑。表面化學(xué)熱處理是指
先將部分滲氮試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為2(T30°C、相對(duì)濕度為45飛0%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干5(Γ60分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以10^300C /min的升溫速率升溫至50(T620°C，保溫3 10小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。所述的噴砂使用的砂粒為ai2o3。所述的氰酸鈉(NaCNO)粉末和氰酸鉀(KCNO)顆粒混合物中，氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為(O. 8 1) : I。所述的滲氮試劑中氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為80、8%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為2°/Γ20%。所述的試劑包裹鈦合金材料中包裹層厚度> 10mm。所述的坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離5 10mm。所述的坩堝能承受700°C溫度且無(wú)影響滲氮效果的元素析出(如O, S等)，坩堝為氧化鋁坩堝。所述的鈦合金為損傷容限型鈦合金TC21，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比記為6%A1，2%Sn, 2%Zr, 3%Mo, l%Cr, 2%Nb,0. l%Fe,0. l%Si，其余為 Ti。本發(fā)明的基理是稀土元素在金屬表面化學(xué)熱處理改性中的使用，可對(duì)改善工件的表層組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)及機(jī)械性能都有極大影響。稀土元素具有提高滲速(滲速可提高25% 30%，處理時(shí)間可縮短1/3以上)、強(qiáng)化表面(稀土元素具有微合金化作用，能改善表層組織結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化基體表面)、凈化表面(稀土元素與鋼中P、S、As、Sn、Sb、Pb等低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)發(fā)生作用，形成高熔點(diǎn)化合物，同時(shí)抑制這些雜質(zhì)元素在晶界上的偏聚，降低滲層脆性)等多種功能。在鈦合金低溫表面滲氮所使用的試劑中加入稀土作為活化劑，通過(guò)化學(xué)熱處理的方法可提高N與Ti的結(jié)合速率及鈦基復(fù)合層的厚度，能進(jìn)一步提高鈦合金表面的硬度和耐磨性。本發(fā)明的有益效果 I、本發(fā)明不會(huì)對(duì)基體的組織及主要性能造成負(fù)面影響，是一個(gè)工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)高效、可控性強(qiáng)的鈦合金表面處理工藝。2、本發(fā)明降低了由于滲氮溫度的影響而導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形的可能性。3、本發(fā)明采用了稀土作為滲氮催化劑，提高了滲氮效率，使鈦合金表面硬度到達(dá)678HV0.01,比基體硬度有明顯提高。4、采用本發(fā)明方法對(duì)鈦合金表面做滲氮處理，鈦合金表面生成了 TiNa3層，表面摩擦系數(shù)降低到O. 09，耐磨性能顯著增強(qiáng)。5、本發(fā)明所述的低溫表面滲氮方法不僅適用于鈦合金TC21，也可用于其它損傷容限型鈦合金。


圖I為本發(fā)明實(shí)例I表面化學(xué)熱處理后試樣滲氮層金相組織形貌圖。圖2為本發(fā)明實(shí)例4表面化學(xué)熱處理后滲氮層X(jué)RD分析圖。圖3為本發(fā)明部分實(shí)例表面化學(xué)熱處理后滲氮層摩擦系數(shù)分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。一種鈦合金低溫表面滲氮方法，所使用的部分設(shè)備有球磨機(jī)、高溫密封膠、氧化鋁坩堝、恒溫鼓風(fēng)干燥箱、噴砂機(jī)、高溫爐、低溫超凈研磨機(jī)，這些設(shè)備均為市場(chǎng)所售的常規(guī)產(chǎn)品。鈦合金材料為新型損傷容限型鈦合金TC21，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比記為6%A1，2%Sn, 2%Zr, 3%Mo, l%Cr, 2%Nb,0. l%Fe,0. l%Si，其余為 Ti。具體步驟如下
I、鈦合金的表面處理 O噴砂
采用粒度為8(Γ120目的白剛玉(Al2O3)(也可采用SiO2或SiC)砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，控制工作氣壓O. 3^0. 7MPa，噴砂時(shí)間1(Γ 5分鐘；
2)研磨
把噴砂后的鈦合金置于低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用研磨壓力為O. 05、. 075MPa，偏心距為6(T70mm，轉(zhuǎn)速為10(Tl20rpm，粒徑為20 28 μ m的Al2O3固結(jié)磨料拋光墊先進(jìn)行粗研磨15 20分鐘；之后采用研磨壓力為O. 025 O. 05MPa，偏心距為60 70臟，轉(zhuǎn)速為15(Tl80rpm，粒徑為1(Γ14 μ m為Al2O3固結(jié)磨料拋光墊研磨2(Γ30分鐘完成精研磨處理；3)拋光及清洗
把研磨后的鈦合金在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用研磨壓力為O. 02、. 05MPa，偏心距為3(T50mm,轉(zhuǎn)速為18(T200rpm,磨粒粒徑為5 8 μ m的稀土氧化鋪固結(jié)磨料拋光墊研磨時(shí)間15 20分鐘拋光至表面粗糙度RaO. θΓθ. 07Mm，然后進(jìn)行表面清洗。2、滲氮試劑的制備
將白色粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和白色四角顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)混合物(氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為(O. 8 I): I)與稀土 CeO2 (粒度彡200目)粉末放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌15 20分鐘，得到滲氮試劑；試劑中氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為80 98%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為2% 20%。3、表面化學(xué)熱處理 先將部分滲氮試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的剛玉坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上(坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離5 10mm)，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝(包裹層厚度> 10mm)，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為2(T30°C、相對(duì)濕度為45飛0%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干5(Γ60分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以1(T30°C /min的升溫速率升溫至50(T620°C，保溫3 10小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。實(shí)例I。步驟I、鈦合金試樣表面處理 O噴砂
采用粒度為120目的白剛玉(Al2O3)(也可采用SiO2或SiC)砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，工作氣壓O. 5MPa，噴砂時(shí)間15分鐘。2)研磨
把噴砂后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用Al2O3 (磨粒粒徑為20 μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 05MPa，偏心距為60mm，轉(zhuǎn)速為120rpm，研磨時(shí)間15分鐘)，進(jìn)行粗研磨處理；之后采用Al2O3 (磨粒粒徑為14μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 025,偏心距為60mm,轉(zhuǎn)速為180rpm,研磨時(shí)間20分鐘)進(jìn)行精研磨處理。3)拋光及清洗
把研磨后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用稀土氧化鈰(磨粒粒徑為8 μ m)固結(jié)磨料拋光墊(研磨壓力為O. 02MPa，偏心距為50mm，轉(zhuǎn)速為180，研磨時(shí)間15分鐘)進(jìn)行拋光至表面粗糙度RaO. 06Mm，然后進(jìn)行表面清洗。步驟2、試劑制備
將白色粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和白色四角顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)混合物(氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為1:1)與稀土 CeO2 (粒度為200目)粉末混合(氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為95%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為75%)放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌15分鐘。步驟3、表面化學(xué)熱處理
將步驟2得到的部分試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上(坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離8mm)，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝(包裹層厚度> 10mm)，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為20°C、相對(duì)濕度為45%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干50分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以20°C /min的升溫速率升溫至595°C，保溫5小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。取出試樣進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)X射線(xiàn)衍射儀對(duì)鈦合金表面滲層進(jìn)行X射線(xiàn)衍射(XRD)分析，鈦合金表面有TiN相。經(jīng)X射線(xiàn)能譜儀(EDS)檢測(cè)分析，鈦合金復(fù)合層內(nèi)含有Ti、N等原子。經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè)鈦合金表面存在有連續(xù)的復(fù)合滲氮層，滲層與基體結(jié)合緊密，滲層厚度約為17. OlMffl，滲層組織和基體組織一致，都是網(wǎng)籃狀組織，滲層顏色較深。經(jīng)顯微硬 度計(jì)檢測(cè)表面層顯微硬度為440HVa與基體鈦合金表面硬度366HVa CllIgOHVatll相比，鈦合金表面滲氮后硬度提高。經(jīng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表面層摩擦系數(shù)為O. 18，比基體摩擦系數(shù)I. 6有顯著降低，因此鈦合金表面滲氮后耐磨性能增強(qiáng)。實(shí)例2。步驟I、鈦合金試樣表面處理 O噴砂
采用粒度為80目的白剛玉(Al2O3)砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，工作氣壓O. 3MPa，噴砂時(shí)間10分鐘。2)研磨
把噴砂后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用Al2O3 (磨粒粒徑為28 μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 075MPa，偏心距為70mm，轉(zhuǎn)速為lOOrpm，研磨時(shí)間15分鐘)，進(jìn)行粗研磨處理；之后采用Al2O3 (磨粒粒徑為10 μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 05,偏心距為70mm,轉(zhuǎn)速為150rpm,研磨時(shí)間30分鐘)進(jìn)行精研磨處理。3)拋光及清洗
把研磨后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用稀土氧化鈰(磨粒粒徑為5 μ m)固結(jié)磨料拋光墊(研磨壓力為O. 05MPa，偏心距為30mm，轉(zhuǎn)速為200，研磨時(shí)間20分鐘)進(jìn)行拋光至表面粗糙度RaO. 07Mm，然后進(jìn)行表面清洗。步驟2、試劑制備
將白色粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和白色四角顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)混合物(氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為O. 8:1)與稀土 CeO2 (粒度為200目)粉末混合(氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為80%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為20%)放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌25分鐘。步驟3、表面化學(xué)熱處理
將步驟2得到的部分試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上(坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離5mm)，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝(包裹層厚度> 10mm)，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為30°C、相對(duì)濕度為50%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干60分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以10°C /min的升溫速率升溫至500°C，保溫3小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。取出試樣進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)X射線(xiàn)衍射儀對(duì)鈦合金表面滲層進(jìn)行X射線(xiàn)衍射(XRD)分析，鈦合金表面有TiNa3相。經(jīng)X射線(xiàn)能譜儀(EDS)檢測(cè)分析，鈦合金復(fù)合層內(nèi)含有Ti、N等原子。經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè)鈦合金表面存在有連續(xù)的復(fù)合滲氮層，滲層與基體結(jié)合緊密，滲層厚度約為23. 滲層組織和基體組織一致，都是網(wǎng)籃狀組織，滲層顏色較深。經(jīng)顯微硬度計(jì)檢測(cè)表面層顯微硬度為635HVa(l廣678HVa(ll，與基體鈦合金表面硬度366Ην0.0Γ390Ην0.01相比，鈦合金表面滲氮后硬度提高。經(jīng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表面層摩擦系數(shù)為O. 12，比基體摩擦系數(shù)I. 6有顯著降低，因此鈦合金表面滲氮后耐磨性能增強(qiáng)。實(shí)例3。 步驟I、鈦合金試樣表面處理 O噴砂
采用粒度為100目的白剛玉(Α1203)砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，工作氣壓O. 7MPa，噴砂時(shí)間12分鐘。2)研磨
把噴砂后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用Al2O3 (磨粒粒徑為25 μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 06MPa，偏心距為65mm，轉(zhuǎn)速為llOrpm，研磨時(shí)間18分鐘)，進(jìn)行粗研磨處理；之后采用Al2O3 (磨粒粒徑為10 μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 03，偏心距為65mm,轉(zhuǎn)速為160rpm,研磨時(shí)間25分鐘)進(jìn)行精研磨處理。3)拋光及清洗
把研磨后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用稀土氧化鈰(磨粒粒徑為7 μ m)固結(jié)磨料拋光墊(研磨壓力為O. 035MPa，偏心距為40mm，轉(zhuǎn)速為190，研磨時(shí)間16分鐘)進(jìn)行拋光至表面粗糙度RaO. 05Mm，然后進(jìn)行表面清洗。步驟2、試劑制備
將白色粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和白色四角顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)混合物(氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為O. 9:1)與稀土 CeO2 (粒度為250目)粉末混合(氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為98%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為2%)放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌20分鐘。步驟3、表面化學(xué)熱處理
將步驟2得到的部分試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上(坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離10mm)，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝(包裹層厚度> 10mm)，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為25°C、相對(duì)濕度為48%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干55分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以30°C /min的升溫速率升溫至620°C，保溫10小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。取出試樣進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)X射線(xiàn)衍射儀對(duì)鈦合金表面滲層進(jìn)行X射線(xiàn)衍射(XRD)分析，鈦合金表面有TiN相。經(jīng)X射線(xiàn)能譜儀(EDS)檢測(cè)分析，鈦合金復(fù)合層內(nèi)含有Ti、N等原子。經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè)鈦合金表面存在有連續(xù)的復(fù)合滲氮層，滲層與基體結(jié)合緊密，滲層厚度約為10. 04Mffl，滲層組織和基體組織一致，都是網(wǎng)籃狀組織，滲層顏色較深。經(jīng)顯微硬度計(jì)檢測(cè)表面層顯微硬度為420HVa CllIeOHVatll,與基體鈦合金表面硬度366HVa CllIgOHVatll相比，鈦合金表面滲氮后硬度提高。經(jīng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表面層摩擦系數(shù)為O. 16，比基體摩擦系數(shù)I. 6有顯著降低，因此鈦合金表面滲氮后耐磨性能增強(qiáng)。實(shí)例4。步驟I、鈦合金試樣表面處理 O噴砂
采用粒度為120目的白剛玉(A1203)砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，工作氣壓O. 5MPa，噴砂時(shí)間10分鐘。
2)研磨
把噴砂后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用Al2O3 (磨粒粒徑為20 μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 05MPa，偏心距為60mm，轉(zhuǎn)速為120rpm，研磨時(shí)間15分鐘)，進(jìn)行粗研磨處理；之后采用Al2O3 (磨粒粒徑為14μ m)固結(jié)磨研拋光墊(研磨壓力為O. 025,偏心距為60mm,轉(zhuǎn)速為180rpm,研磨時(shí)間20分鐘)進(jìn)行精研磨處理。3)拋光及清洗
把研磨后的鈦合金試樣在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用稀土氧化鈰(磨粒粒徑為8 μ m)固結(jié)磨料拋光墊(研磨壓力為O. 02MPa，偏心距為50mm，轉(zhuǎn)速為180，研磨時(shí)間20分鐘)進(jìn)行拋光至表面粗糙度RaO. 05Mm，然后進(jìn)行表面清洗。步驟2、試劑制備
將白色粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和白色四角顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)混合物(氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為1:1)與稀土 CeO2 (粒度為200目)粉末混合(氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為89%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為11%)放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌20分鐘。步驟3、表面化學(xué)熱處理
將步驟2得到的部分試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上(坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離8mm)，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝(包裹層厚度> 10mm)，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為20°C、相對(duì)濕度為50%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干50分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以20°C /min的升溫速率升溫至595°C，保溫5小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。取出試樣進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)X射線(xiàn)衍射儀對(duì)鈦合金表面滲層進(jìn)行X射線(xiàn)衍射(XRD)分析，鈦合金表面有TiNa3相。經(jīng)X射線(xiàn)能譜儀(EDS)檢測(cè)分析，鈦合金復(fù)合層內(nèi)含有Ti、N等原子。經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè)鈦合金表面存在有連續(xù)的復(fù)合滲氮層，滲層與基體結(jié)合緊密，滲層厚度約為23. 滲層組織和基體組織一致，都是網(wǎng)籃狀組織，滲層顏色較深。經(jīng)顯微硬度計(jì)檢測(cè)表面層顯微硬度為572HVa(l廣618HVa(ll，與基體鈦合金表面硬度366Ην0.0Γ390Ην0.01相比，鈦合金表面滲氮后硬度有所提高。經(jīng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表面層摩擦系數(shù)為O. 09，比基體摩擦系數(shù)I. 6有顯著降低，因此鈦合金表面滲氮后耐磨性能增強(qiáng)。本發(fā)明未涉及 部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是它包括鈦合金的表面預(yù)處理、滲氮試劑的制備及滲氮處理 所述的鈦合金的表面預(yù)處理是指 采用粒度為8(Γ120目的砂粒對(duì)鈦合金表面進(jìn)行噴砂，控制工作氣壓O. 3^0. 7MPa，噴砂時(shí)間1(Γ15分鐘；噴砂結(jié)束再進(jìn)行表面研磨和拋光至表面粗糙度RaO. 0Γ0. 07Mm，然后進(jìn)行表面清洗； 滲氮試劑的制備是指 將氰酸鈉(NaCNO)粉末和氰酸鉀(KCNO)顆粒的混合物與稀土氧化鈰(CeO2)粉末放入到球磨機(jī)內(nèi)攪拌15 20分鐘，使NaCNO、KCNO和CeO2充分均勻混合，得到滲氮試劑； 滲氮處理是指 先將部分滲氮試劑放入到預(yù)先準(zhǔn)備好的坩堝中壓實(shí)，然后將經(jīng)表面處理后的鈦合金試樣居中平放于壓實(shí)的滲氮試劑上，隨后再將剩余試劑放入到剛玉坩堝中充分包裹鈦合金并壓實(shí)填滿(mǎn)坩堝，給坩堝加蓋，用密封膠將蓋與坩堝間的縫隙密封，防止熱處理過(guò)程中鈦合金的高溫氧化；再將密封后的坩堝置于溫度為2(T30°C、相對(duì)濕度為45飛0%的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干50飛0分鐘；然后再放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理；加熱時(shí)以10^300C /min的升溫速率升溫至50(T620°C，保溫3 10小時(shí)，將坩堝取出，空冷至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的噴砂使用的砂粒為 Al203、Si02 或 SiC。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的氰酸鈉(NaCNO)粉末和氰酸鉀(KCNO)顆?；旌衔镏?，氰酸鈉(NaCNO)與氰酸鉀(KCNO)混合比例按質(zhì)量計(jì)為(O. 8 I) :1。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的滲氮試劑中氰酸鈉和氰酸鉀混合物的質(zhì)量百分比為80、8%，稀土氧化鈰(CeO2)的質(zhì)量百分比為29Γ20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的試劑包裹鈦合金材料中包裹層厚度≥10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的坩堝底部采用3點(diǎn)支撐法對(duì)試樣進(jìn)行支撐，按等邊三角形布置，支撐點(diǎn)到坩堝底部的距離5 10mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的坩堝能承受700°C溫度且無(wú)影響滲氮效果的元素析出，坩堝為氧化鋁坩堝、碳化硅坩堝、石墨坩堝或鎳坩堝。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的鈦合金為T(mén)C系列的鈦合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的鈦合金為T(mén)C系列中的損傷容限型鈦合金TC21，滲氮處理后鈦合金TC21表面形成TiNa ，滲氮層其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比記為6%Al,2%Sn, 2%Zr, 3%Mo, l%Cr, 2%Nb,0. l%Fe,0. l%Si，其余為 Ti -JJf述的低溫表面滲氮方法也可適用于其它TC系列的鈦合金表面強(qiáng)化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦合金低溫表面滲氮方法，其特征是所述的研磨在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)進(jìn)行，采用研磨壓力為O. 05 O. 075MPa，偏心距為60 70臟，轉(zhuǎn)速為10(Tl20rpm，粒徑為2(Γ28μπι的Al2O3固結(jié)磨料拋光墊先進(jìn)行粗研磨15 20分鐘；之后采用研磨壓力為O. 025 O. 05MPa,偏心距為60 70臟，轉(zhuǎn)速為15(Tl80rpm，粒徑為10 14μπι為A l2O3固結(jié)磨料拋光墊研磨2(Γ30分鐘，完成研磨處理；所述的拋光是將研磨后的鈦合金放在低溫超凈研拋機(jī)內(nèi)，采用研磨壓力為O. 02 O. 05MPa，偏心距為3(T50mm，轉(zhuǎn)速為18(T200rpm， 磨粒粒徑為5 8μπι的稀土氧化鈰固結(jié)磨料拋光墊研磨拋光15 20分鐘至表面粗糙度RaO. 0Γ0. 07Mm，然后進(jìn)行表面清洗。
全文摘要
一種鈦合金低溫表面滲氮，屬于金屬表面熱處理改性技術(shù)領(lǐng)域，其特征是先將鈦合金表面先進(jìn)行噴砂清洗，然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨、拋光，同時(shí)將粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)與稀土CeO2粉末按一定比例混合后制成滲氮試劑，將此試劑與處理后的鈦合金材料放入到坩堝內(nèi)壓實(shí)并密封后烘干，然后將坩堝放入到高溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱的一種表面化學(xué)熱處理工藝方法。其中，氰酸鈉(NaCNO)和氰酸鉀(KCNO)作為滲氮源，稀土(CeO2)作為催化劑。通過(guò)此種低溫表面滲氮方法，使鈦合金TC21表面形成TiN0.3~1滲氮層，鈦合金表面摩擦系數(shù)顯著降低，表面硬度提高，表面性能得到強(qiáng)化。
文檔編號(hào)C23C8/62GK102965613SQ20121051691
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者朱延松, 盧文壯, 王晗, 胥軍, 左敦穩(wěn), 何亞峰, 孫玉利, 艾國(guó)平, 蔡文俊, 徐鋒 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)