CN101570845A - 一种钛及钛合金表面氮化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛及钛合金表面氮化方法，属于金属表面材料制备及金属表面加工技术领域。该方法用纯N₂或N₂+Ar混合气体作为离子气，用等离子焊接设备获得氮等离子焰，在大气中加热钛及钛合金基体表面，控制氮化温度和时间，在钛及钛合金基体表面局部制备氮化层，可以解决钛及钛合金表面耐磨性差的问题。与现有技术相比，这种加工方法不需要复杂昂贵的设备，可以在大气中现场操作，施工简便灵活，可以对基体局部进行氮化，处理时间短。

Description

一种钛及钛合金表面氮化方法

技术领域：

本发明涉及一种钛及钛合金表面氮化技术，属于金属表面材料制备及金属表面加工技术领域。

背景技术：

钛及钛合金具有高比强度和高耐蚀性等优异的特性，广泛应用于航空航天、军事、化学和生物医学工程等领域，并不断推广应用于机械制造、车辆、石油化工等行业。但是，钛及钛合金的摩擦系数大，耐磨性较差，限制了在工程上的应用，因此，有必要改善钛及钛合金的耐磨性。TiN具有优异的力学性能，较强的抗摩擦磨损及耐腐蚀性能，可以在钛及钛合金表面制备氮化层来改善其表面性能。

制备氮化层的技术很多，例如物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，这两种方法多用于制备TiN薄膜，对设备的要求较高，操作复杂，成本高。

传统的气体渗氮是在氮气或在氮气-氢气中加热，使钛及钛合金表面形成Ti₂N及TiN等硬质相，从而提高其表面耐磨性。要求抽真空后充入氮化气氛，升温至800-970℃，保温较长时间停止加热而后冷却。气体渗氮的缺点是氮化速度慢(几十小时)。等离子体渗氮是利用辉光放电来实现的，氮离子被电场加速，撞击工件，离子动能转变为热能，使工件温度升高，同时通过离子冲击时的溅蚀作用及扩散作用，使氮向工件表面内部扩散，达到氮化的目的。等离子体渗氮的时间为普通气体渗氮的1/3-1/5，渗氮温度较低。对纯钛和钛合金进行等离子氮化处理，渗氮层由化合物层和过渡层组成，化合物层中包括Ti₂N及TiN两种氮化物，过渡层则是氮在α-Ti中的固溶体。等离子体渗氮工艺可以应用于铁基材料、钛合金和铝合金。

激光氮化是提高材料表面抗磨损耐腐蚀性能的新兴氮化技术之一。在激光氮化过程中，钛基体直接参与反应，使制备的氮化层与基体结合较好，但激光设备昂贵，氮化成本高。

发明内容：

本发明涉及一种钛及钛合金表面氮化方法，目的是采用氮等离子焰在钛及钛合金基体上制备氮化表面层，解决钛及钛合金表面耐磨性差的问题。钛及钛合金氮等离子焰表面氮化法的特点是：采用氮等离子焰作为热源和氮化反应Ti+N→TiN中氮的来源，控制基体表面加热温度即氮化温度，在较高温度(1000-1150℃)下进行氮化。这种加工方法不需要复杂昂贵的设备，可以在大气中现场操作，施工简便灵活，可以对基体局部进行氮化，处理时间短(1-4min)。

本发明的上述目的可通过以下技术方案实现：

一种钛及钛合金表面氮化方法，用纯N₂或N₂+Ar混合气体作为离子气，用等离子焊接设备获得氮等离子焰，在大气中加热钛及钛合金基体表面，控制氮化温度(1000-1150℃)和时间(1-4min)，在钛及钛合金基体表面局部制备氮化层，具体工艺步骤如下：

a)对钛及钛合金基体材料或工件需氮化处理的部位进行表面清理；

b)采用接触或非接触测温仪器，监测在氮化处理过程中基体材料氮化处理部位表面温度；

c)用等离子焊接设备，通入总流量约为15L/min的高纯氮气或N₂+Ar混合气体作为离子气产生氮等离子焰，电流30-80A；

d)在大气中用氮等离子焰加热钛及钛合金基体表面，至氮化处理温度1000-1150℃开始计时，按照基体或工件表面氮化处理要求，氮化处理时间在1-4min范围内选择，等离子喷嘴与工件表面距离根据监测温度调节；

e)撤出测温仪器，完成氮化处理。

所述的测温仪器采用在基体材料靠近氮化处理部位焊接测温热电偶，并连接到测温仪表上。

所述的测温仪器可以采用红外测温仪进行非接触测温。

所述的等离子焊接设备采用等离子焊枪实现氮等离子焰，等离子喷嘴距离工件表面20-40mm，根据监测温度调节该距离。

钛及钛合金基体经氮等离子焰表面氮化处理后，获得厚度为5-18μm，表面显微硬度为HV800-1400的氮化层。

本发明相对于现有技术具有以下优点和进步

本发明采用氮等离子焰作为热源和Ti+N→TiN氮化反应中氮的来源，控制基体表面加热温度，在较高氮化温度(1000-1150℃)下进行氮化。这种“氮等离子焰钛及钛合金表面氮化方法”与现有的气体氮化、等离子氮化、激光氮化等方法相比，具有设备简单，氮化处理时间短(1-4min)，可以在大气中直接对工件进行局部氮化处理等优点。氮化层在基体表面“原位”生长，为冶金结合，硬度高、耐磨性好，氮化层厚度可以通过监测温度和时间进行控制。

附图说明：

图1(a)纯钛基体氮化层的表面形貌(1000℃、1min)。

图1(b)纯钛基体氮化层的XRD分析(1000℃、1min)。

图2纯钛基体氮化层的截面形貌(1150℃、4min)。

图3纯钛基体与氮化层磨痕比较，其中：

图3(a)TA2基体磨痕。

图3(b)氮化试样磨痕(1150℃、4min)。

具体实施方式：

下面结合实例进一步说明本发明的具体内容及其具体实施方式。

采用等离子焊枪实现氮等离子焰即非转移型等离子弧，加热钛及钛合金基体制备氮化层。等离子弧气氛为纯N₂或N₂+Ar混合气体。在非转移型等离子弧作用下，钛及钛合金基体迅速升温，提供了生成TiN所需要的钛的来源；同时，等离子弧的热作用和电场作用使氮气离化为原子及离子，形成氮等离子体。在电弧空间存在的这些氮离子(N⁺及N^-)、氮原子(N)和氮分子(N₂)作为生成TiN所需要的氮的来源。高活性的N⁺、N^-、N、N₂随焰流吸附到基体表面并克服表面能扩散进入基体，在高温下与基体中的Ti发生氮化反应Ti+N→TiN，在基体表面形成氮化层。主要工艺步骤如下：

1)对钛及钛合金基体材料需氮化处理的部位进行表面清理，如用丙酮等溶剂去油，也可以进行机械清理。如果是实际工件，应在精加工后进行表面清理。

2)在基体材料靠近氮化处理部位的地方焊接测温热电偶(镍铬-镍硅或其它类型热电偶)，接到测温仪表上，以便在氮化处理过程中监测基体材料表面温度。也可以用红外测温仪进行非接触测温。

3)使用等离子焊接设备，通入高纯氮气或N₂+Ar混合气体作为离子气，总流量15L/min，用焊枪实现氮等离子焰，电流30-80A。

4)在大气中用氮等离子焰加热钛及钛合金基体表面，至氮化处理温度1000-1150℃开始计时，按照氮化要求，可以氮化处理1-4min。等离子喷嘴距离工件表面约20-40mm，根据监测温度调节该距离，温度过高增加距离，温度偏低缩小距离。

实际工件大小和厚度不同，等离子焊接设备不同，钛及钛合金的氮化处理的参数可能有较大差别，如工件厚度大，需要的热量多，等离子电流应提高，氮化处理的时间可以延长。

5)拆除测温热电偶，完成氮化处理。

6)钛及钛合金基体经上述氮等离子焰表面氮化处理后，可以获得厚度为5-18μm，表面显微硬度为HV800-1400的氮化层。

7)例如，纯钛基体经1000℃、1min氮等离子焰表面氮化处理后，氮化层表面生长出多边形TiN，X射线衍射(XRD)表明氮化层主要由TiN相、TiN_0.3相和少量的Ti固溶体构成，厚度约为10μm，表面显微硬度约为HV900，参阅图1。

实施例1，纯钛氮化工艺步骤：

a)对纯钛(牌号TA2)基体材料需氮化处理的部位用砂纸去除氧化膜，再用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油。

b)在靠近氮化处理部位的背面或侧面焊接镍铬-镍硅测温热电偶，接到函数记录仪上，以便监测纯钛基体的表面温度。

c)使用等离子焊接设备，通入高纯氮气作为离子气，流量15L/min，用等离子焊枪实现氮等离子焰，电流30-50A。

d)在大气中用氮等离子焰加热纯钛基体表面，等离子枪喷嘴距离工件表面约20mm，纯钛基体表面达到氮化处理温度1150℃开始计时并控制该温度基本不变，氮化处理时间4min。

e)熄灭等离子焰，继续通氮气保护氮化处理部位，温度降低到200℃以下后关闭氮气，拆除测温热电偶，完成氮化处理。

f)纯钛基体经氮等离子焰表面氮化处理后，可以获得厚度为18μm，表面显微硬度为HV1400的氮化层，表面层截面形貌参阅图2。

g)在载荷10N、转速100r/min、磨道半径30mm、总转数1000圈磨损条件下，用MG-2000型高温高速摩擦磨损实验机进行干摩擦磨损实验。试样磨损表面为Φ8mm，磨偶件为YG8硬质合金环，用失重量和摩擦系数来评价耐磨性。纯钛基体失重量22.9mg，平均摩擦系数为4.6。磨损形貌主要为宽且深的“犁沟”和局部疲劳撕裂，有大片粘着脱落的迹象，并导致局部磨屑堆积，磨痕参阅图3(a)。氮化试样的磨损失重量仅为3.7mg，平均摩擦系数为1.8，比纯钛基体的耐磨性有明显提高，磨损表面平整光滑，只有少量细微较浅磨痕，磨痕参阅图3(b)。

实施例2，钛合金氮化工艺步骤：

a)对钛合金(牌号TC4)基体材料需氮化处理的部位用砂纸去除氧化膜，再用脱脂棉蘸丙酮擦拭去油。

b)在靠近氮化处理部位的背面或侧面焊接镍铬-镍硅测温热电偶，接到函数记录仪上，以便监测基体的表面温度。

c)使用等离子焊接设备，通入高纯氮气与氩气混合气体作为离子气，流量均为7.5L/min，用等离子焊枪实现氮等离子焰，电流50-80A。

d)在大气中用氮等离子焰加热钛合金基体表面，等离子枪喷嘴距离工件表面约40mm，基体表面达到氮化处理温度1000℃开始计时并控制该温度基本不变，氮化处理时间1min。

e)熄灭等离子焰，继续通混合气体保护氮化处理部位，温度降低到200℃以下后关闭氮气与氩气，拆除测温热电偶，完成氮化处理。

f)钛合金基体经氮等离子焰表面氮化处理后，可以获得厚度为5μm，表面显微硬度为HV800的氮化层，氮化试件的耐磨性比钛合金基体有明显提高。

Claims (5)

1、一种钛及钛合金表面氮化方法，其特征在于，用纯N₂或N₂+Ar混合气体作为离子气，用等离子焊接设备获得氮等离子焰，在大气中加热钛及钛合金基体表面，控制氮化温度(1000-1150℃)和时间(1-4min)，在钛及钛合金基体表面局部制备氮化层，具体工艺步骤如下：

a)对钛及钛合金基体材料或工件需氮化处理的部位进行表面清理；

b)采用接触或非接触测温仪器，监测在氮化处理过程中基体材料氮化部位表面温度；

c)用等离子焊接设备，通入总流量约为15L/min的高纯氮气或N₂+Ar混合气体作为离子气，产生氮等离子焰，电流30-80A；

d)在大气中用氮等离子焰加热钛及钛合金基体表面，至氮化处理温度1000-1150℃开始计时，按照基体或工件表面氮化处理要求，氮化处理时间在1-4min范围内选择，等离子喷嘴与工件表面距离根据监测温度调节；

e)撤出测温仪器，完成氮化处理。

2、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面氮化方法，其特征在于，所述的测温仪器采用在基体材料靠近氮化处理部位焊接测温热电偶，并连接到测温仪表上。

3、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面氮化方法，其特征在于，所述的测温仪器采用红外测温仪进行非接触测温。

4、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面氮化方法，其特征在于，所述的等离子焊接设备采用等离子焊枪实现氮等离子焰，等离子喷嘴与工件表面距离20-40mm，根据监测温度调节该距离。

5、根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面氮化方法，其特征在于，钛及钛合金基体经氮等离子焰表面氮化处理后，获得厚度为5-18μm，表面显微硬度为HV800-1400的氮化层。

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