钛合金化学热处理-渗氧处理

2018-12-04 19:23 作者:管理员8 来源:未知 浏览: 字号:
1.2渗氧处理
 
    从图9.10-1可知,氧也具有明显的固溶强化效果。由钛一氧相图可知,氧在钛中极限固溶度可达13%。同时,氧在钛中的扩散系数要比氮高一个多数量级。因此,渗氧的硬化效果应该比渗氮显著。当钦中的氧质量分数超过其极限固溶度时会形成一系列钦的氧化物。特别是在高氧下所形成的i()2氧化物具有很好的摩擦学性能、高的耐腐蚀性及优异的生物相容性。因此,渗氧处理或称为(可控)氧化处理可用来显著提高钛及其合金的摩擦学性能、承载能力、耐腐蚀性及生物相容性。专家们预测氧化处理的前景可能比渗氮处理更好。
 
    然而,虽然氧化的硬化效果在20世纪50年代已被观察到,但随后的研究发现要达到明显的硬化效果,处理表面往往由于氧化物层的剥落而损坏。从20世纪90年代开始,一些基于空气或含氧气体的热氧化处理工艺陆续出现。例如,在空气中对Ti22V4A1钦合金进行850℃/3 h氧化处理,然后除去表面松散且脆的氧化物层。此方法已用来提高用于赛车发动机的Ti22V4AI钛合金气门弹簧座的耐磨性。随后Dong等在英国伯明翰大学进行了系统的研究,开发出了一系列可控热氧化的专利技术,并已成功应用于批量工业生产。
 
    根据处理的过程及所形成的表面层结构特征和厚度,可以将钛合金渗氧处理分成两大类:氧化处理和氧扩散处理。

    (1)氧化处理
 
    可控热氧化(thermal oxidation, TO)处理在含氧气氛中进行,处理温度一般在550一700℃之间进行,处理时间取决于硬化层厚度及层与基体结合强度的要求。一般来说,处理温度越高或氧分压越高,处理层与基体结合强度则越差。典型的断口组织,如图9.10-3所示。

圈9.10-3典型的T%AI4V合金可控热叙化处理层断口组织
    图9.10-4比较了未处理的,TO处理的Ti6A14V以及硬化钢的耐磨性能。可以看出经TO处理的钦合金的耐磨性要优于硬化的钢。同时,摩擦因数从0.5一0.6降到0.2一0.3(无润滑)或0.1左右(油润滑)。其主要原因是Tiq本身的良好的耐磨性能以及对润滑油的很好的湿润性。·试验结果还表明Ti6A14V钛合金可控热氧化处理后的承载能力要比离子渗氮、硬铬镀层和PVD TiN高得多。剑桥大学的Hunchings评价了几种钦合金表面处理层在有油润滑条件下的抗咬合性能,发现可控热氧化处理的抗咬合性能最高(图9.10-5)
 
    Shi等还研究了该技术应用于钦合金人造关节的可能性。结果表明当钦合金表面经适当的TO处理后,可以将与之对磨的超高分子聚乙烯(UHMWPE)的磨损量减少两个数量级以上。
 
    TO处理不仅可以提高钦合金的耐磨性,而且可以显著提高其耐腐蚀性。在沸腾的10%(体积分数)盐酸溶液中浸泡试验显示,经TO处理的工业纯钦(口爪)的腐蚀速率几
圈9.10-4  T(〕处理的1杨A14V及钢对磨件的耐磨性
乎为零,而未经处理的cPTi及耐蚀钦合金Ti-0.5Pd的腐蚀速率则依次为4.14 mg/ (cm2h)和1.75 mg /(cm2h)。可以用一种特殊的TO处理或称为PT()工艺进一步提高CPTi在更浓的热盐酸中的耐蚀性。PTO处理时先在工件表面涂一薄层含把的溶液,然后待其干燥后再进行TO处理。结果表明,未经处理的CFI、在加%(vol)盐酸溶液沸腾前即严重腐蚀,离子渗氮的CPT,经3h浸泡后出现严重腐蚀;TO处理的cP-Ti则在20 h后开始腐蚀;而PTO处理的CPn在浸泡50 h后仍未腐蚀。因此该工艺可用于与热酸相接触并要求有一定耐磨性的钦合金零件的处理。
 
    除上述技术优点外,处理温度明显低.于渗氮温度,不引起工件变形是TO处理的另一优点。此外,该技术成本低、无任何污染是TO处理的又一优点。经这些技术处理的钦合金零件已成功地应用在一级方程式赛车、高性能运动车的发动机及一般轿车上。经处理的工业纯钦制蝶形阀门已在北海油田成功使用约十年。这种处理也可望应用于许多医用钦合金植人物及器械。
 
    近来有一些研究者探讨了钦合金等离子氧化或氧一氮化处理的可能性。Bacci等比较了Ti6AI4V钦合金经离子渗氮[900`C/8 h, 20%N2(体积分数)+80%残(体积分数)]、离子渗氧(9000℃/2 h,空气)和热氧化(900℃/2 h,空气)后的硬度和耐磨性。结果发现在较高载荷下,离子渗氧和热氧化的硬度和耐磨性比经离子渗氮的高得多。离子渗氮层和热氧化层的硬度和耐磨性基本相同,但是,离子渗氧会造成设备较严重的氧化。因此,与热氧化相比,离子渗氧并没有明显的优点。

    (2)氧扩散处理
 
    上面所介绍的可控热氧化处理可有效地提高钛合金的摩擦学性能、耐腐蚀性及生物相容性。同时,其承载能力也比PVD TiN或DLC、硬铬镀层和离子渗氮的高。但是,由于上述热氧化处理层只有15一45 um,不能满足承载能力要求很高的钦合金工件(如钛合金齿轮)的要求。近来,Dong等发展一种新颖的氧扩散深层硬化处理(oxygen boost diffusiondeep-case hardening)技术。这是一个两阶段的复合处理:①钦合金先在700一900℃范围内在含氧气氛中进行短时间热氧化处理以获得尽量厚但与基体结合良好的Tiq氧化物;②将预处理的工件移到真空炉内在700-900℃范围内进行氧扩散处理。预处理中形成的棕色氧化物在扩散处理时分解、析出活性氧原子并被工件表面吸收,工件表面回复到原来的银灰色。如图9.10-6所示,氧扩散深层硬化处理可形成一个较深的(≈300 nn}氧扩散层,因此可以有效地提高工件的承载能力。

图9.10-6氛扩散处理的1%Al4V硬化效果
    但是,在滑动条件下,氧扩散处理形成的深硬化层的抗猫着磨损和抗咬合的能力并没有得到有效的提高。这是因为氧扩散所形成的硬化层的化学特性并没有很大改变。但是,如果在氧扩散处理所形成的硬化层上再沉积一层低摩擦、高耐磨性的PYD涂层(如DLC或其他硬陶瓷涂层)或通过热氧化处理形成一层Tiq,则可以形成摩擦性能优异、承载能力高的钛合金复合处理系统。

 
 
 
 
 
 
 
 
(责任编辑:laugh521521)
文章分享:

-->
标签:
版权所有: 非特殊声明均为本站原创文章,转载请注明出处: 机械资料网