一种钛合金低温表面渗氮方法技术

一种钛合金低温表面渗氮，属于金属表面热处理改性技术领域，其特征是先将钛合金表面先进行喷砂清洗，然后进行化学机械研磨、抛光，同时将粉末状晶体氰酸钠（NaCNO）和颗粒状晶体氰酸钾（KCNO）与稀土CeO2粉末按一定比例混合后制成渗氮试剂，将此试剂与处理后的钛合金材料放入到坩埚内压实并密封后烘干，然后将坩埚放入到高温炉内进行加热的一种表面化学热处理工艺方法。其中，氰酸钠（NaCNO）和氰酸钾（KCNO）作为渗氮源，稀土（CeO2）作为催化剂。通过此种低温表面渗氮方法，使钛合金TC21表面形成TiN0.3~1渗氮层，钛合金表面摩擦系数显著降低，表面硬度提高，表面性能得到强化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种材料的表面处理方法，尤其是一种钛合金的表面处理方法，具体地说是一种钛合金低温表面渗氮方法。
技术介绍
钛合金具有比强度高、抗蚀性优异等突出优点，是最有希望代替合金钢制造传动机构功能部件的轻量化材料。例如，钛合金TC21是我国自行研制的具有自主知识产权的一种α+β型钛合金，其具有高强度（ Rm≥1100MPa）、高韧性（KIC≥70MPa                                               ）、高损伤容限（较低的疲劳裂纹扩展速率da/dN值和较高的疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth）和优异的抗疲劳性能（优于普通TC4、TA15等中等强度钛合金）等综合性能相匹配。与美国第四代战斗机F-22上大量应用Ti-6-22-22高强高损伤容限型钛合金的性能相当，是目前我国高强韧钛合金综合力学性能匹配最佳的钛合金，适用于新一代战机的中后机身、机翼、发动机附近和起落架等部位对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件。但其缺点也比较突出：一是钛合金的摩擦学性能较差，对粘着磨损和微动磨损非常敏感；二是在还原性介质如盐酸、稀硫酸等中耐腐蚀性能较差，因而它的应用受到限制。目前，国内外对于钛合金表面耐磨、耐腐蚀性的关注度越来越高，也同时出现了不同的钛合金表面化学热处理方法来提高钛合金表面耐磨和耐腐蚀性能，其中主要是采用表面改性技术（如物理气相沉积、化学气相沉积、激光表面处理、离子渗氮、热氧化和固体扩散等），使钛及钛合金表面形成氮化物、碳化物和硼化物等硬质相，从而提高其表面硬度和耐磨性。目前，在金属表面热处理强化技术中，表面沉积形成的强化层与基体的结合力较差；离子/等离子渗氮工艺具有局限性，难以规模化推广；激光表面处理形成合金化层，其残余拉应力较大，易形成裂纹；而表面化学热处理强化是通过固溶间隙原子或形成新的强化相，保留心部硬度不变，对表面进行强化处理，使金属表面硬度显著提高，渗层与基体冶金结合，结合性能好的一种工艺方法。钛合金表面化学热处理方法有渗氮、渗碳、碳氮共渗等。低温渗氮与其它表面化学热处理工艺相比，主要优点在于其较低的热处理温度（500~600℃），理想温度为580℃。通常，可以在完全调质与回火的条件下对零件进行渗氮，而不会对基体的组织及主要性能造成负面影响，是一个快速便捷、灵活方便、经济高效、可控性强的工艺过程。低温渗氮的另一个优点在于降低了产生变形的可能性。这样，零件就可以通过机械加工得到最终的尺寸，而无须花费昂贵的精加工过程。因此，低温渗氮的实用性和有效性，一直受到国内外广泛研究。但目前低温渗氮的化学热处理方法所对应的材料大多为不锈钢、IF钢、低碳钢、中碳钢，钛合金低温表面渗氮国内外少有提及。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种钛合金的低温表面渗氮方法，它尤其适用于适合新型损伤容限型钛合金TC21低温表面渗氮。本专利技术的技术方案是：一种钛合金低温表面渗氮方法，其特征是它包括钛合金的表面处理、渗氮试剂的制备及表面化学热处理。钛合金的表面处理包括：1）喷砂采用粒度为80~120目的砂粒对钛合金表面进行喷砂，控制工作气压0.3~0.7MPa，喷砂时间10~15分钟；2）研磨把喷砂后的钛合金置于低温超净研抛机内，采用研磨压力为0.05~0.075MPa，偏心距为60~70mm，转速为100~120rpm，粒径为20~28μm的Al2O3固结磨料抛光垫先进行粗研磨15~20分钟；之后采用研磨压力为0.025~0.05MPa，偏心距为60~70mm，转速为150~180rpm，粒径为10~14μm为Al2O3固结磨料抛光垫研磨20~30分钟完成精研磨处理；3）抛光及清洗把研磨后的钛合金在低温超净研抛机内，采用研磨压力为0.02~0.05MPa，偏心距为30~50mm，转速为180~200rpm，磨粒粒径为5~8μm的稀土氧化铈固结磨料抛光垫研磨时间15~20分钟抛光至表面粗糙度Ra0.01~0.07μm，然后进行表面清洗。渗氮试剂的制备是指：将氰酸钠（NaCNO）粉末和氰酸钾（KCNO）颗粒的混合物与稀土氧化铈（CeO2）粉末放入到球磨机内搅拌15~25分钟，使NaCNO、KCNO 和 CeO2充分均匀混合，得到渗氮试剂。表面化学热处理是指：先将部分渗氮试剂放入到预先准备好的坩埚中压实，然后将经表面处理后的钛合金试样居中平放于压实的渗氮试剂上，随后再将剩余试剂放入到刚玉坩埚中充分包裹钛合金并压实填满坩埚，给坩埚加盖，用密封胶将盖与坩埚间的缝隙密封，防止热处理过程中钛合金的高温氧化；再将密封后的坩埚置于温度为20~30℃、相对湿度为45~50%的恒温鼓风干燥箱内烘干50~60分钟；然后再放入到高温炉内进行加热、保温和冷却处理；加热时以10~30℃/min的升温速率升温至500~620℃，保温3~10小时，将坩埚取出，空冷至室温。所述的喷砂使用的砂粒为Al2O3。所述的氰酸钠（NaCNO）粉末和氰酸钾（KCNO）颗粒混合物中，氰酸钠（NaCNO）与氰酸钾（KCNO）混合比例按质量计为（0.8~1）:1。所述的渗氮试剂中氰酸钠和氰酸钾混合物的质量百分比为80~98%，稀土氧化铈（CeO2）的质量百分比为2%~20%。所述的试剂包裹钛合金材料中包裹层厚度≥10mm。所述的坩埚底部采用3点支撑法对试样进行支撑，按等边三角形布置，支撑点到坩埚底部的距离5~10mm。 所述的坩埚能承受700℃温度且无影响渗氮效果的元素析出（如O，S等），坩埚为氧化铝坩埚。所述的钛合金为损伤容限型钛合金TC21，其化学成分按质量百分比记为：6%Al，2%Sn, 2%Zr，3%Mo，1%Cr，2%Nb，0.1%Fe，0.1%Si，其余为Ti。本专利技术的基理是：稀土元素在金属表面化学热处理改性中的使用，可对改善工件的表层组织结构、物理、化学及机械性能都有极大影响。稀土元素具有提高渗速（渗速可提高25%～30%，处理时间可缩短1/3以上）、强化表面（稀土元素具有微合金化作用，能改善表层组织结构，强化基体表面）、净化表面（稀土元素与钢中 P、S、As、Sn、Sb、Pb等低熔点有害杂质发生作用，形成高熔点化合物，同时抑制这些杂质元素在晶界上的偏聚，降低渗层脆性）等多种功能。在钛合金低温表面渗氮所使用的试剂中加入稀土作为活化剂，通过化学热处理的方法可提高N与Ti的结合速率及钛基复合层的厚度，能进一步提高钛合金表面的硬度和耐磨性。本专利技术的有益效果：1、本专利技术不会对基体的组织及主要性能造成负面影响，是一个工艺简单，经济高效、可控性强的钛合金表面处理工艺。2、本专利技术降低了由于渗氮温度的影响而导致零件产生变形的可能性。3、本专利技术采用了稀土作为渗氮催化剂，提高了渗氮效率，使钛合金表面硬度到达678HV0.01，比基体硬度有明显提高。4、采用本专利技术方法对钛合金表面做渗氮处理，钛合金表面生成了TiN0.3层，表面摩擦系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金低温表面渗氮方法，其特征是它包括钛合金的表面预处理、渗氮试剂的制备及渗氮处理：所述的钛合金的表面预处理是指：采用粒度为80~120目的砂粒对钛合金表面进行喷砂，控制工作气压0.3~0.7MPa，喷砂时间10~15分钟；喷砂结束再进行表面研磨和抛光至表面粗糙度Ra0.01~0.07μm，然后进行表面清洗；渗氮试剂的制备是指：将氰酸钠（NaCNO）粉末和氰酸钾（KCNO）颗粒的混合物与稀土氧化铈（CeO2）粉末放入到球磨机内搅拌15~20分钟，使NaCNO、KCNO？和？CeO2充分均匀混合，得到渗氮试剂；渗氮处理是指：先将部分渗氮试剂放入到预先准备好的坩埚中压实，然后将经表面处理后的钛合金试样居中平放于压实的渗氮试剂上，随后再将剩余试剂放入到刚玉坩埚中充分包裹钛合金并压实填满坩埚，给坩埚加盖，用密封胶将盖与坩埚间的缝隙密封，防止热处理过程中钛合金的高温氧化；再将密封后的坩埚置于温度为20~30℃、相对湿度为45~50%的恒温鼓风干燥箱内烘干50~60分钟；然后再放入到高温炉内进行加热、保温和冷却处理；加热时以10~30℃/min的升温速率升温至500~620℃，保温3~10小时，将坩埚取出，空冷至室温。...

【技术特征摘要】
1.一种钛合金低温表面渗氮方法，其特征是它包括钛合金的表面预处理、渗氮试剂的制备及渗氮处理：
所述的钛合金的表面预处理是指：
采用粒度为80~120目的砂粒对钛合金表面进行喷砂，控制工作气压0.3~0.7MPa，喷砂时间10~15分钟；喷砂结束再进行表面研磨和抛光至表面粗糙度Ra0.01~0.07μm，然后进行表面清洗；
渗氮试剂的制备是指：
将氰酸钠（NaCNO）粉末和氰酸钾（KCNO）颗粒的混合物与稀土氧化铈（CeO2）粉末放入到球磨机内搅拌15~20分钟，使NaCNO、KCNO 和 CeO2充分均匀混合，得到渗氮试剂；
渗氮处理是指：
先将部分渗氮试剂放入到预先准备好的坩埚中压实，然后将经表面处理后的钛合金试样居中平放于压实的渗氮试剂上，随后再将剩余试剂放入到刚玉坩埚中充分包裹钛合金并压实填满坩埚，给坩埚加盖，用密封胶将盖与坩埚间的缝隙密封，防止热处理过程中钛合金的高温氧化；再将密封后的坩埚置于温度为20~30℃、相对湿度为45~50%的恒温鼓风干燥箱内烘干50~60分钟；然后再放入到高温炉内进行加热、保温和冷却处理；加热时以10~30℃/min的升温速率升温至500~620℃，保温3~10小时，将坩埚取出，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的钛合金低温表面渗氮方法，其特征是所述的喷砂使用的砂粒为Al2O3、SiO2 或SiC。
3.根据权利要求1所述的钛合金低温表面渗氮方法，其特征是所述的氰酸钠（NaCNO）粉末和氰酸钾（KCNO）颗粒混合物中，氰酸钠（NaCNO）与氰酸钾（KCNO）混合比例按质量计为（0.8~1）:1。
4.根据权利要求1所述的钛合金低温表面渗氮方法，其特征是所述的渗氮试剂中氰酸钠和氰酸钾混合物的质量百分比为80~98%，稀土氧化铈（CeO2）的质量百分比为2%~20%。
5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延松，卢文壮，王晗，胥军，左敦稳，何亚峰，孙玉利，艾国平，蔡文俊，徐锋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：