间歇渗氮周期对TC4钛合金真空渗氮的影响

作者:杨闯;刘静;马亚芹;杨峰;洪流 刊名:金属热处理 上传者:向高怀

【摘要】为了提高TC4钛合金表面硬度及耐磨性,采用不同的间歇渗氮周期对其进行真空间歇渗氮处理。通过金相观察、X射线衍射(XRD)、显微硬度计和耐磨试验机分析了渗氮层组织与性能。结果表明,TC4钛合金经真空间歇渗氮处理后,形成了由Ti N、Ti2Al N和钛铝金属间化合物Ti3Al组成的复合改性层。间歇渗氮周期较小,氮扩散区较窄,随间歇渗氮周期增加,氮明显向内扩散形成了一定宽度的氮扩散区,渗氮周期为30 min时,表面硬度为1100~1200 HV0.1,有效硬化层深度为60μm,渗氮周期继续增加,氮化物层开始变得疏松,表面硬度和耐磨性开始降低。

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与其他金属结构材料相比,由于钛合金具有很高的比强度、耐腐蚀、耐高温以及良好的生物相容性,因而被广泛应用于化工、能源、航空航天和生物医学工程等领域。但钛合金表面硬度较低,属于活性很高的金属,易和许多材料发生粘着磨损,耐磨损性及耐疲劳性差,在很多情况下不能满足实际生产应用的要求,从而限制了它的应用[1-6]。对钛合金进行表面强化处理是提高其表面硬度,改善耐磨性,延长使用寿命,扩大使用范围的有效措施。氮化钛是一种新型的多功能金属陶瓷材料,具有高硬度、低的摩擦因数、优异的化学稳定性、良好的生物兼容性和导电性等优点,可广泛用于机械、电子、医学、装饰等领域[7-10]。目前,钛合金表面氮化物改性层制备方法常用的有气体渗氮法[11-12]、磁控溅射法[13]、离子渗氮法[14]和激光气体氮化法[15-16]等。上述方法在一定程度上提高了钛合金表面的硬度,改善了耐磨性。但存在渗层较薄、处理时间长、与基体结合强度差等缺点,如何在钛合金表面形成与基体结合强度好、硬度高、耐磨性好以及具有一定厚度的氮化钛改性层依然是目前研究的难题和重点。本文采用真空间歇渗氮的方法在TC4钛合金表面形成钛的氮化物改性层,以提高其表面硬度,改善耐磨性,并对氮化物改性层的组织和性能进行研究。1试验材料与方法试验材料为TC4钛合金,化学成分(质量分数,%)为:6.19Al、4.12V、0.03Fe、0.015C、0.13O,其余为Ti,相变点为976。经9501.5h固溶+5406h时效处理后从TC4钛合金棒材上线切割截取试样,尺寸为10mm15mm,用酒精进行清洗。真空渗氮在SNJN井式真空炉中进行,渗氮温度为820,渗氮压力为0.015MPa,渗氮时间为10h,渗氮间歇周期分别为15、30、45和60min。图1为真空间歇渗氮工艺示意图。渗氮时,将温度升至规定渗氮温度,把装有试样的渗氮罐放入加热炉中,首先将炉内真空抽至5~10Pa,保持30min进行脱气,净化试样表面,接着关闭真空泵,向炉内通入高纯氮气,压力为0.015MPa,进行保温渗氮一定时间后又进行抽真空,扩散一定时间,再行通气渗氮,重复上述工艺流程,进行间歇渗氮及真空扩散至规定时间后随炉冷至300以下取出试样进行分析和相关性能测试。图1真空间歇渗氮工艺示意图Fig.1Sketchofvacuumintermittentnitridingprocess利用OLYMPUS型光学显微镜进行截面组织分析,用PHILIPS型X射线衍射仪(XRD)分析膜层的相组成,用MHV-2000型显微硬度计测量试样的硬度,载荷0.98N,加载时间15s,测试硬度梯度时,将镶嵌好的试样从距表面10m开始测量,由表面至心部每间隔10m测试一个硬度值,直到硬度接近基体硬度为止,取5个不同的位置进行测量,最后取平均值。磨损试验在MM-U10A型磨损试验机上进行,摩擦销为试验样,磨盘材质为GCr15钢,尺寸为40mm10mm,法向载荷为50N,转速为200r/min,磨损时间为10~60min,用精度为0.1mg的SartoriusBSA224S型电子分析天平测量试样磨损量,试验结果为3次试验的平均值。2试验结果与讨论2.1物相分析图2为TC4钛合金820经不同间歇周期真空渗氮10h后表面XRD图谱。从图2可以看出,TC4钛合金低压脉冲渗氮后主要由Ti、TiN、Ti2AlN及Ti3Al组成,间歇周期为15min时,XRD图谱中TiN及Ti2AlN衍射峰较强,-Ti及Ti3Al的衍射峰很弱,物相以TiN及Ti2AlN为主,-Ti及Ti3Al较少;间歇周期为30min

参考文献

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