钛合金精密零件的活性屏离子渗氮.pdf

制造技术研究 航天制造技术
钛合金精密零件的活性屏离子渗氮
罗 铸 崔怀玲 李 敏
南京晨光集团有限责任公司,南京 210006
摘要:采用活性屏离子渗氮技术对钛合金进行渗氮处理,并将渗氮层的组织、形貌、
维氏硬度和零件的变形情况与普通离子氮化的试件作对比。结果表明,活性屏离子氮化的
组织和性能优于普通离子氮化,工件变形小、表面光洁度高、操作简单、过程可控、 质量
致性好,可以解决钛合金精密零件普通离子氮化存在的问题。
关键词:钛合金;活性屏离子氮化;精密零件
1 引言 件温度不均匀程度,加剧了零件的变形倾向。由于零
件变形较大,钛合金精密零件的离子氮化技术应用受
普通离子氮化时,工件置于载物台上,与直流或到了较大的限制。
脉冲电源的阴极连接,电源的阳极连接到真空室外壁 1999 年卢森 堡工程师Georges J 发明的 活性屏离
上,真空度维持在约 120Pa左右,按 2∶1比例通入子渗氮新技术简称TC离子渗氮或AS离子渗氮 ,在
氢气和氮气,气体在电场作用下电离形成离子并轰击得到普通离子氮化同样效果情况下,较好地解决了普
到工件上,对工件进行加热和渗氮。受气体放电特性通离子氮化的变形问题。活性屏离子氮化与普通离子
的影响,对于形状复杂工件直存在些难以解决的 氮化不同的 是在 零件外 侧增加了 个与阴极高 压连
问题,如打弧、空心阴极效应、电场效应、温度测量接的金属网状圆筒作为活性屏,工件不再连接到阴极
和电源保护等,造成零件各部位轰击能量不均匀,从而是处于电悬浮状态并被活性屏包围。渗氮时气体离
而造成工件温度不均匀;另外,由于钛合金氮化温度子只轰击阴极电位的活性屏,并使其加热,零件在活
远高于钢,而工件周围是冷环境,辐射散热损失大, 性屏内 通过 热辐射被 加 热到渗 氮温 度。 渗氮 过 程
为使零件达到和维持氮化温度,需要持续提供较大的 中,由于气体离子轰击活性屏而不轰击工件表面 ,
轰击电流,进而强化了轰击能量的不均匀,增加了零 解决了普通离子渗氮存在的上述各种问题,降低了
作者简介:罗铸1957-,研究员,金属材料及热处理专业;研究方向:金属材料
及热处理。
收稿日期:2012-05-25
制造技术研究制造技术研究 2012年航 10天制月第造技术 5期
真空室
工 件变形 ,扩 大了离 子氮 化技术 的应 用领域。
利用活性屏离子渗氮技术可以同炉处理不同形
活性屏
钛合金精密零件的活性屏离子渗氮
状的零件, 可以极大地 减小复杂零 件离子氮化 的变
形。并且能够方便准确地测量和控制工件渗氮温度,
工件
罗 铸 崔怀玲 李 敏
提高工艺过程的可靠性。既能处理常用氮化钢材料,
水冷
炉壁
南京晨光集团有限责任公司,南京 210006
也能处理奥氏体不锈钢等难氮化材料。但目前没有检
索到钛及钛合金活性屏离子渗氮的相关资料。
摘要:采用活性屏离子渗氮技术对钛合金进行渗氮处理,并将渗氮层的组织、形貌、
绝缘垫
维氏硬度和零件的变形情况与普通离子氮化的试件作对比。结果表明,活性屏离子氮化的
2 实验装置及方法
组织和性能优于普通离子氮化,工件变形小、表面光洁度高、操作简单、过程可控、 质量
致性好,可以解决钛合金精密零件普通离子氮化存在的问题。
实验在 LDM2-50脉冲离子氮化炉中进行,脉冲
关键词:钛合金;活性屏离子氮化;精密零件
电源为外购,炉体、充气系统和活性屏装置为自制。
温度
直流供气真空
测量
电源系统系统
整套实验装 置如图 1 。 活性屏尺寸 为 Φ180mm
240mm ,用 厚度为 1mm 钛板制成,其上均匀 钻有 图 1 钛合金活性屏离子渗氮装置图
Φ5mm的通孔。工件及试样置于托盘上,托盘与阳极
底板之间用云母隔离,使工件和试样呈悬浮电位。将 工件形状如图 1 ,试 样 尺寸为 Φ 6 m m
直径 3mm铠装热电偶插入到活性屏与工件之间并处 15mm,材料均为TC4。要求工件内孔氮化,孔的高径
于电悬浮状态,热电偶与 SR93程序控制数字温控仪比为 2.6。工件和试样装炉前用 120溶剂汽油清洗表
相接,测量并控制温度。真空室内压强采用电容薄膜面。
式真空计测量。 分别采用普通离子氮化和活性屏离子氮化两种
工艺进行试验,试验的工艺参数相同,详见表 1。
表 1 离子氮化试验工艺
电压V 电流A H∶N 温度 炉压Pa 时间h
使用 QUANTA200 型扫 描电镜观察 渗氮层表面
形貌;用 FM-7000显微硬度计检测表面硬度;将试样
1 引言 件温度不均匀程度,加剧了零件的变形倾向。由于零
渗氮层切除后镶嵌、打磨并抛光,经硝酸、氢氟酸和
件变形较大,钛合金精密零件的离子氮化技术应用受
水的混合液侵蚀,用 FM-7000显微硬度计检测渗氮层
普通离子氮化时,工件置于载物台上,与直流或到了较大的限制。
硬度梯度;用 Q550MW型金相显微镜观察金相组织。
脉冲电源的阴极连接,电源的阳极连接到真空室外壁 1999 年卢森 堡工程师Georges J 发明的 活性屏离
上,真空度维持在约 120Pa左右,按 2∶1比例通入子渗氮新技术简称TC离子渗氮或AS离子渗氮 ,在
3 实验结果
氢气和氮气,气体在电场作用下电离形成离子并轰击得到普通离子氮化同样效果情况下,较好地解决了普
到工件上,对工件进行加热和渗氮。受气体放电特性通离子氮化的变形问题。活性屏离子氮化与普通离子
图 2 普通离子氮化表面形貌
3.1 表面形貌及能谱分析
的影响,对于形状复杂工件直存在些难以解决的 氮化不同的 是在 零件外 侧增加了 个与阴极高 压连
3.1.1 表面形貌
问题,如打弧、空心阴极效应、电场效应、温度测量接的金属网状圆筒作为活性屏,工件不再连接到阴极
两种工艺氮化后试样的表面形貌如图 2、3所示。
和电源保护等,造成零件各部位轰击能量不均匀,从而是处于电悬浮状态并被活性屏包围。渗氮时气体离
由图可见,普通离子氮化后试样表面粗糙,高倍下观
而造成工件温度不均匀;另外,由于钛合金氮化温度子只轰击阴极电位的活性屏,并使其加热,零件在活
察表面组织呈碎渣状,凹凸不平,起伏较大;而活性
远高于钢,而工件周围是冷环境,辐射散热损失大, 性屏内 通过 热辐射被 加 热到渗 氮温 度。 渗氮 过 程
屏离子氮化后试样表面平坦致密,高倍下观察表面仅
为使零件达到和维持氮化温度,需要持续提供较大的 中,由于气体离子轰击活性屏而不轰击工件表面 ,
有较小凹坑。
轰击电流,进而强化了轰击能量的不均匀,增加了零 解决了普通离子渗氮存在的上述各种问题,降低了
作者简介:罗铸1957-,研究员,金属材料及热处理专业;研究方向:金属材料
图 3 活性屏离子氮化表面形貌
及热处理。
收稿日期:2012-05-25
制造技制造技制造技术研究术研术研究究 2012年航航 10天制天制月第造技术造技术 5期
真空室
工 3.1. 件变形 2 能谱分析 ,扩 大了离 子氮 化技术 的应 用领域。 性屏离子氮化表面含氮量高,形成了层较致密的氮
两种工艺氮化后试样表面的能谱分析结果见图 利用活性屏离子渗氮技术可以同炉处理不同形化物,故仅检测到少量铝。而普通离子氮化的表层由
活性屏