TC4钛合金表面低压渗氮层的显微组织与耐磨性能

作者:杨闯;刘静;马亚芹;洪流;王华 刊名:《机械工程材料》 上传者:汪志伟

【摘要】为了提高TC4钛合金的表面硬度及耐磨性,对其进行了820℃×10h的低压渗氮处理;通过X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计及磨损试验机研究了表面渗氮层的显微组织与耐磨性能。结果表明:渗氮处理后,该钛合金表面形成了由表面氮化物层和次表面氮扩散层组成的渗氮层,其物相组成为TiN、Ti2AlN和Ti3Al;渗氮层的表面硬度为800-900HV,比基体的提高了近3倍,截面硬度随着深度的增加而下降;在相同条件下,渗氮后试样的磨损质量损失比未经渗氮处理的小,且随载荷的增加磨损质量损失增加更缓慢,耐磨性得到了极大的改善。

全文阅读

0引言钛合金具有耐腐蚀性好、比强度高、耐高温以及生物兼容性优良等特点,广泛应用于航天航空、生物医学及机械制造等领域。但钛合金表面硬度较低,耐磨性较差,用其制造的工件易和其他构件发生黏着磨损而失效[1-7]。钛的氮化物具有硬度高、摩擦因数低、化学稳定性好等特点,若在钛合金表面形成钛的氮化物改性层可有效提高其表面硬度、改善耐磨性、延长使用寿命、扩大应用范围[8-13]。气体渗氮工艺是一种能够有效地将氮原子渗入金属材料表面形成氮化物改性层的化学热处理方法,具有工艺简单、适应性广、成本低、变形小、渗氮均匀等优点而得到了广泛的应用。Thongtem等[14]使用氨气对钛铝基合金进行了1200K100h高温气体渗氮处理,渗氮处理后其表面硬度明显提高,达到13900MPa;赵斌等[15]对Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.2Si合金进行了94050h高温气体渗氮处理,发现其表面渗氮层主要由TiN和Ti2AlN组成,厚度为4m,表面硬度为12860MPa,耐磨性能比未经渗氮处理的提高了近2倍。由于氮与钛具有很强的亲和力,在钛合金渗氮过程中氮首先和钛结合形成钛氮化物[16],钛氮化物形成后造成钛晶格间隙数急剧减少,使得氮原子很难通过钛氮化物层向内扩散,因此,在采用普通气体渗氮方法进行渗氮处理时,即使提高渗氮时间,其形成的氮化物层也较薄。如何在较短时间内在钛合金表面形成与基体结合良好、硬度高、耐磨性好且具有一定厚度的钛氮化物层仍然是目前研究的重点和难点。低压渗氮技术是最近几年发展起来的渗氮新技术,该技术在较高的真空度下对金属材料进行渗氮处理,由于负压下金属材料表面的吸附物和其他气体被排出,其表面活性提高,对氮原子的吸附力增强,同时气氛中的氮势较高,能产生较多的活性氮原子,因而渗氮速率很快[17]。目前,低压渗氮技术主要应用于合金钢表面改性,而在钛合金方面的应用鲜有报道。为此,作者采用低压渗氮技术对TC4钛合金进行了表面改性处理,研究了渗氮层的显微组织与性能,为钛合金的表面改性提供参考。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验材料为TC4钛合金棒材,其化学成分(质量分数/%)为6.19Al,4.12V,0.03Fe,0.015C,0.13O,余Ti。对TC4钛合金棒材进行9501.5h固溶+5406h时效处理后,在其上采用线切割截取尺寸为10mm15mm的试样,酒精清洗。在SNJN-45-6型井式真空炉中进行低压渗氮试验。首先将预处理好的试样放入渗氮罐中,为了防止氧化,先用高压氩气排除渗氮罐内的空气,接着抽真空至真空度为-0.08Pa;随后将温度升至820,继续保持罐内真空1h使试样表面净化并脱气,然后向炉内通入压力为0.01~0.015MPa的高纯氮气进行渗氮处理,时间10h;试样随炉冷至300后取出,空冷至室温后待用。1.2试验方法将渗氮处理后的试样用XQ-2型镶嵌机进行镶嵌,磨制抛光后用质量比为110的氢氟酸和硝酸混合溶液腐蚀,利用OLYMPUS-BX53型光学显微镜(OM)观察试样截面的显微组织,用PHILIPS-PW1700型X射线衍射仪(XRD)分析表面渗氮层的相组成,用JSM-6490LV型扫描电子显微镜(SEM)附带的INCA-350型X射线能谱仪(EDS)进行化学成分分析,从表面至心部进行线扫描。用MHV-2000型显微硬度计测试样的表面和截面氮化层硬度,载荷0.98N,加载时间15s,由表面至心部每间隔10m各取5点测试,取平均值,直到硬度接近基体硬度为止。在MM-U10A型磨损试验机上进行磨损试验,销试样为渗氮合金,盘试样材料为GCr15钢,尺寸

参考文献

引证文献

问答

我要提问