钛及钛合金的表面热处理.pdf

金表面强化处理
徐桢基苏州合金材料厂陈由林
山l。机械厂李世华
有许多优点,如熔点高、比速度,并可降低渗氮温度。近年来还试用激光
度(包括高温强度)、好的抗蚀和电子束等新渗氮方法。这些将在后面介绍。
ェg(H,0.P)sB(B.0.0)的相
离子是把加工.零件放入.光离子
籍以改变其性能等。因此广泛用デ中注入續制氮或纯银、纯混合气、氮氢混
立、航空、化工、原子能发、海洋工程、台气,ば比例魂条件而别,炉气压及电压据不
温等方面,用干制造件。当然也存在同需要进行调整,处理温度通常在800-880℃
一些缺点,如陸擦性能以摩擦系数及抗磨性之间,渗氮时间根据被处理的零件要求达到
较差(主要是高摩擦系数和低的抗咬合性)。的层深及硬度而定。
为了克服这些缺点改进其表面性能,应用和
对钛及钛合金采用不同方法不同温度下
发展了钛合金的表面强化处理。
渗氮后表层的相组织不同。纯钛通常最外表
钛合金的表面强化处理、通常用于以下层为氮化钛层(包括-TiN和8-TiN层),向
的目的,即装饰、抗蚀、耐磨及抗咬合以及高内为饱和氮的α固溶体。一般表层氮化钛
温抗氧化性;或者是二种或多种性能的提高。层约5m,其层较薄(组织为白亮层),且随
而达到上述目的可采用不同表面热处理方温度升高白亮层中TiN增加、Ti2N减少,
法,例如:渗氮、渗硼、滲硅、表面涂层及合金对To合金在850℃以上处理时TiN相消
化。为达到这些作用可采用化学(电化学及失。而总硬化层按某些资料建议的方法测
化学蒸发沉淀等)、热化学、物理蒸镀、喷涂、得硬度为1.2倍心部硬度处层深。总层深
离子注入等。下面分别介绍近年国外在抗磨随渗氮温度和时间而变化,通常选取约
表面热处理方面的一些动向。
15~100um。对钛及钛合金讲,文献报导的
钛合金的抗磨表面处理最常用的是下列最大层深纯钛为100um,而某些钛合金可达
方法。
150m。表层硬度为Hv1500左右,比实际
iN相硬度为低。这是由于化合物极薄,所测
1.渗氮处理
硬度为化合物层及a'相的综合值。渗氮后
钛的表面渗氮最早(50年代)采用盐浴和试样金相检查常用的腐蚀剂为不同比例的氢
气体渗氮。这些早期方法往往需要较长的渗
氟酸、硝酸混合水溶液(也有人用氢氟酸、盐
氮时间,同时表面层的性能不均匀并具有多酸混合水溶液)。
孔性。生成的硬化层较薄,且有可能吸氢使
滲氮处理条件随不同情况而别,在不同
母材脆化。但即使如此,由于它们能改进抗渗氮气氛及不同温度下,工件表面形成不同
磨性仍在某些地方得到应用。到70年代前后,的化合物膜,因而形成不同的颜色。用瓶装
随着钢的离子渗氮应用,钛的离子渗氮也开氮气诊氮时,在700℃到80℃之间由青色
始采用,而且发现采用离子渗氮能提高渗氮转变成红褐色,最后为金黄色,在750℃以下
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由于有残余氧形成氧化物,在750℃以上逐而硬化层深也与温度及时有关,在相同温
步形成氮化物,到800℃以上时现黄金色度下与时间的平方提域正比。由于形成氮化
的光泽;相反采用精制氮时甚至在650℃以.物层的成长速度是受α-"中氮的溶解度及氮
上即能获得金黄色。一般认为在800℃以上的扩散常数所支配,前在一定时间要得到
渗氮时表层为明显的氮化物层,但是在此温一定的渗氮层深;常采取提高子渗氮的温
度下便化层不显著。随着淰氮温度的升高,度,但要注意相变对表面光度的影响
氮扩散层增厚,因而硬化层厚度与硬度出现通常建议的温度700~900℃,而常使用
增加。由于纯钛在885℃有α→B相变,造成的温度是800~880℃;时间取决于复层厚度
表面光洁度变化。当加热到900℃以上温度,的要求。
氮扩散显著増加,硬化层厚度及硬度显著增
图1是Ti在900℃、850℃、800℃下渗
加。按理在900℃以上表面和心部a→B,其氮不同时间所得硬度和雲派的关系21。由于
后B晶粒长大,唯表层高温相B在滲氮后变系瓶装氮气的试验结界,所得层深及硬度
成不稳定,转变成粗晶x相,室温下形成高较现今为低
氮的g'。在500加热时,开始表面由黄
土色到莺金色(从1.5小时到12小时),到24
600
小时后有几分减色。在1000C下保持一定
400
Kiroro
时间后全失去光泽。因而色泽不仅与温度、
时间有关,而且与处理气氛和方法有关。高
7000
纯氮渗氮时产生金悰色复层,而由氨裂解氮
产生复层为淡草黄色,而且在不同介质下温
S 600p
度愈高,金色愈强。
渗氮处理的时间,取决于滲氮温度,要求
20
的渗氮层深及希望产生的组织和性能。而单
800
位时间,单位面积的渗氮增量Ⅳ(克/厘米2
的平方值与处理时间も及常数成正比。即
400
W2=Rt。而K与处理温度及合金量有关。
不同研究者得到不同的B值
般在800℃K为0.4~1.5×10-12
深
Cn2)2
jec
图1钛在不同湿庹下渗氪不同时
在900℃K为3~8.6×10-12
间的硬度层深关系
(g/cm)/sec
图2及图3是Ti及Ti合金离子渗氮的
合金元素对值有影响,表1为不同合显微硬度与距表面距高的关系[B1。
金的K值
由图3也可看出离子渗氮时装置中充气
表
的影响,通常可充高纯氮、精氮N2-H2混合
合金T
Mnri-1ari-F。物N-Ax混合物,气体压力约在2~6毫
巴。处理的气体种类不仅影响工件表面的颜
2,774.40
4.05
色,而且影响渗氮层深。由图3可看出用
sec x 10
N2H2气渗氮能增加渗氮的速度,且能得较
增重約增加实质上增加了滲氮层深,因厚的层深。文献也得到类似的结果。但也有
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