CN100552077C - 一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法，通过在真空状态下，使钛及钛合金的温度达到700～1100℃，通入压力为0.1Pa～1000Pa的高纯CO2气体，经过0.5小时～200小时的处理，实现了在钛合金表面形成30～1000μm的硬化层，硬化层的成分为钛的碳化物和氧化物，硬度达到700～HV1100。在工艺过程中不存在能使钛发生氢脆的H元素，实现了钛表面无氢硬化。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面处理技术领域，涉及一种钛表面硬化的设备及方法，特别是涉及一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法。
背景技术
钛是活性金属，与其它金属相比，钛的密度小，强度高，耐蚀性好，但由于其导热系数低，耐磨性差，摩擦时易产生烧接。为此，人们积极研究钛表面的硬化技术，以提高其耐磨性。钛的表面硬化技术通常有湿法电镀，渗碳，放电加工，PVD，CVD，气体氮化，堆焊等。在这些方法中，以渗碳工艺提高耐磨性能最为显著，但现有的渗碳工艺主要是等离子渗碳和真空渗碳，碳原子是通过甲烷、乙炔等含有氢的气体产生的，它们在生成碳离子的同时也有氢离子生成。人们知道，在室温下，氢在钛中的固溶极限只有20PPm，但在80℃以上的温度，氢在钛中的扩散系数很大，固溶度剧增。氢严重危害钛的性能，直接表现为钛的塑性、韧性及抗拉强度大幅度下降。在工业中已经发生了多起钛吸氢的重大事故，损失巨大。在钛表面无氢渗碳技术中，虽然实现了钛表面的无氢渗碳，但由于碳与钛反应生成致密的TiC，阻挡了碳原子的进一步渗入，因此，渗碳层浅。所以，从目前的研究结果来看，主要存在以下的问题：1、在钛合金表面渗入气体元素的工艺中均存在能使钛合金发生氢脆的“H”元素，严重影响着钛合金基体的性能；2、在现有的无氢渗碳技术中，由于C能在钛材表面形成一层致密的TiC层，阻挡着后续C的渗入，因此，渗层很浅，耐磨性能提高有限。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可提高钛表面耐磨性能，实现了钛表面无氢硬化的钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备，其特征在于包括真空室，所述真空室上方设有进气口和压力表，其下方设有泵组，发热体位于真空室内。
一种钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，其特征在于该方法为：将钛件和多孔纯石墨预置于真空室中，真空室由泵组实施排气，形成真空气氛；用置于真空室中的发热体使钛件加热到700～1100℃，通过进气口通入纯二氧化碳气体，纯二氧化碳气体与多孔纯石墨反应，生成的CO再与钛件反应，钛件表面形成厚度为30～1000μm的氧碳化层。
所述纯二氧化碳气体压力为0.1Pa～1000Pa；所述氧碳化层为钛的碳化物和氧化物。
本发明的理论依据为：
在真空高温条件下发生下列的反应，
CO2+C→CO (1)
Ti+CO→TiC+TiOx (2)
即通入的高纯CO2气体与预置于真空室中的碳在710℃以上就可反应，生成CO，CO与高温的Ti反应生成TiC和钛的氧化物。
本发明基于在真空和高温的条件下式(1)和式(2)的反应，实现在钛表面层的渗碳氧，在此基础上，温度的影响，使C和O原子不断向钛基体的内部扩散，形成了更深层的硬化。在整个工艺过程中，不存在元素H，实现了无氢硬化处理的目的。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明实现了在钛合金表面形成30～1000μm的硬化层，硬化层的成分为钛的碳化物和氧化物，硬度达到700～HV1100，在工艺过程中不存在能使钛发生氢脆的H元素，实现了钛表面无氢硬化。
附图说明
图1为本发明钛及钛合金表面氧碳共渗的设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备，包括真空室3，所述真空室3上方设有进气口5和压力表4，其下方设有泵组6，发热体2位于真空室3内。
如图1所示，本发明一种钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，该方法为：将钛件1和多孔纯石墨7预置于真空室3中，真空室3由泵组6实施排气，形成真空气氛；用置于真空室3中的发热体2使钛件1加热到700～1100℃，通过进气口5通入压力为0.1Pa～1000Pa的纯二氧化碳气体，纯二氧化碳气体与多孔纯石墨7反应，生成的CO再与钛件1反应，钛件1表面形成厚度为30～1000μm的氧碳化层，氧碳化层为钛的碳化物和氧化物。
实施例1
把用工业钛材TA1制成的试样置入真空室3中，真空达到5×10-3pa后，使钛材加热到1000℃，通入0.1Pa高纯CO2气体，气体分压经过200小时反应扩散处理，在钛材表面生成厚度为1000μm的氧碳化层，表面硬度达到HV1100。
实施例2
把用Ti6Al4V钛合金制成的试样置入真空室3中，真空达到5×10-3Pa后，使钛材加热到700℃，通入1000Pa高纯CO2气体，经过0.5小时反应扩散处理，在钛材表面生成厚度为30μm的氧碳化层，表面硬度达到HV700。
Claims (3)
1、一种利用钛及钛合金表面氧碳共渗的设备进行钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，该设备包括真空室(3)，所述真空室(3)上方设有进气口(5)和压力表(4)，真空室(3)下方设有泵组(6)，发热体(2)位于真空室(3)内，其特征在于该方法为：将钛件(1)和多孔纯石墨(7)预置于真空室(3)中，真空室(3)由泵组(6)实施排气，形成真空气氛；用置于真空室(3)中的发热体(2)使钛件(1)加热到700～1100℃，通过进气口(5)通入纯二氧化碳气体，纯二氧化碳气体与多孔纯石墨(7)反应，生成的CO再与钛件(1)反应，钛件(1)表面形成厚度为30～1000μm的氧碳化层。
2、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，其特征在于所述纯二氧化碳气体压力为0.1Pa～1000Pa。
3、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，其特征在于所述氧碳化层为钛的碳化物和氧化物。
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