钛合金化学热处理-渗氮处理

2018-12-04 19:23 作者:管理员8 来源:未知 浏览: 字号:
1渗氮处理

钦合金化学热处理-渗氮处理1
    钛合金的渗氮可在多种含氮介质中进行,如盐浴渗氮、气体渗氮及等离子渗氮。
 
    (1)盐浴渗氮
 
    盐浴渗氮发展于20世纪60一70年代,其中较为典型的一种是Tiduran工艺。该工艺使用氰化钠和氰化钾混合盐浴于805℃左右进行2h处理。处理过程中氮、碳以及非常少量的氧扩散进入钦合金表面,形成厚度为50um左右的间隙原子固溶强化的扩散层,表面硬度可达750一800HV。由于盐浴与钦的反应,钦表面会失去约10 um的材料并呈黑色。

图9.10-1间隙原子(氮,氧)的强化效果
   Tiduran工艺已成功地用于一些钦合金工件,主要包括:用于赛车发动机的曲轴、凸轮轴、气阀、航空发动机零件及飞行控制用阀门;生物医学用钦合金植人件等。该工艺的不足之处是所用盐浴含有剧毒成分,给生产安全及环境带来问题。
 
    (2)气体渗氮
 
    钛合金气体渗氮一般在一个大气压下的氨气或氮气中进行。为了克服表面氧化物的阻碍以得到必需的氮扩散速度,气体渗氮的温度较高,’一般在800一1 000℃范围内。这会造成较大的处理变形并明显降低处理工件的疲劳强度(减少20%一35%)。近年来发展起来的高压渗氮以高压氨气(1.2 MPa)作渗氮介质,不仅可以增加氮的渗人速度,同时还可以处理工件上很窄的部位及深孔或不通孔。但是,高压空脱氢处理以防止潜在的氮脆。最近还有研究者用热等静压(HIP)办法进行高压渗氮处理加快渗速。;高压渗氮已成功地对钦合金手术器械、表壳、精密零件、高尔夫球头和赛车等零件进行了处理。

  .(3)等离子体渗氮
 
    在前面第9章介绍的等离子体渗氮技术也可以应用于钛合金的表面处理。与钢的渗氮相似,通人炉中的含氮气体(如氨气、氮气/氢气混合气等)分解并电离成氮离子,并在电场作用下轰击工件表面。粒子轰击而形成的溅射可以有效地去除钛合金表面的氧化物膜,使表面活化。同时,粒子轰击也会在表面形成晶体缺陷(如空位、位错等)。上述两个因素的作用促进了氮在表面的吸收,从而加快了渗氮速度。因此,钛合金离子渗氮时的温度比气体渗氮的要低,一般在700一900℃之间。
 
    典型的Ti6A14V合金离子渗氮组织如图9.10-2所示。处理层由表面的TiN薄层(( 2.5 Earn )、较厚的Tie N亚表层(105m)及氮的扩散层(10一15 pm)组成。处理所用气体成分、压力、时间和温度直接影响离子渗氮层的组织和性能。钦合金的离子渗氮可以用氮气、氨气、氮气一氢气或氮气一氢气混合气体作为供氮气体来形成氮离子。处理时的工作压力一般来说在10一103 Pa(1-10 mbar)范围内。近期的研究表明,使用氮气一氢气混合气体时表面TiN层形成速度最快,氮气一氢气混合气体次之,纯氮气最慢。因此,使用氮气一氢气混合气体可促进TiN的形成而使化合物层中的TiN比例增加。一般来说,化合物层中TiN的比例随氢质量分数的增加而增加,最佳的氮气一氢气比例为在1:3和1:4之间。气体中一定量的氢可以加快渗层形成速度可能和下列因素有关:①氢对氮分子分解具有催化作用;②氢可增强溅射率及将表面氧化物还原而加快钦表面的活化。当氮气一氢气混合气体中氢气的比例大于10%时,化合物层中TiN比例不再随氮气含量的增加而增加。

图9.10-2典型的Ti6AJ4V合金离子渗氮截面组织
    Ti2 N层和扩散层的厚度与气体成分关系不大,主要取决与处理溢度和时间。表面氮化物及扩散层厚度按照抛物线规律随处理的时间增加而增加,因此,钦合金的离子渗氮是一个扩散控制的过程。
 
    钛合金离子渗氮后在表面形成的金黄色的TiN很硬(1 100一2 500HV),很稳定,最高使用温度可达480℃左右。当接触应力不是很高时,离子渗氮可以明显地降低摩擦因数(0.1一0.25)和提高耐磨性。经离子渗氮的钦合金具有与未处理材料相同的优异抗腐蚀性能。由于表面处理层较薄,在接触应力较高时易压破。离子渗氮并不能提高钦合金抗液冲中固体粒子的冲蚀性能。离子渗氮(特别是较高温度、较长时间)会使表面粗糙化(表9.10-1)并降低疲劳极限(10%一20%)。研究表面,疲劳寿命降低的主要原因是表面脆性氮化物的形成以及处理温度(> 700℃)对基体性能的不利影响。通过降低离子渗氮的工作压力可以在很大程度上解决上述问题。

表9.10-1离子渗氮条件对表面粗糙度的影响很大(300 Pa NH3)
    近年的研究发现,离子渗氮时气体电离的程度及离子能量随工作压力降低而升高。在有辅助加热系统条件下,降低工作压力至0.12 Pa并增加工作电压会显著加速渗氮过程。例如480℃低压离子渗氮时化合物的生长速度要比800℃常规离子渗氮高。
 
    离子渗氮已成功地对各类钦合金进行处理,包括。合金、。+户合金(如Ti6AI4V)及p合金(如Ti-3A1-8V-6Cr-4Mo-4Zr) o钦合金的离子渗氮已进人工业应用阶段,主要用来处理钦合金赛车及赛车发动机零件(如气阀、连杆、转向器齿条、小齿轮等),海洋及化工厂使用的球形阀门以及海洋石油平台4m长的液压柱。人造关节是另一个很有前途的应用,一般处理后必须抛光(表9.10-1)

 
 
 
 
 
 
 

(责任编辑:laugh521521)
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