CN103469147B - 一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法及装置，本发明先将钛合金试样表面进行预处理后放入反应器罐内腔中，然后将反应器罐密封、检漏后进行抽真空，同时对反应器罐进行加热，使其内腔的温度保持在700℃～1000℃，然后向反应器罐内腔中采用脉冲加气的方式加入渗氮气体介质（即采用通气、关闭保持、抽气、关闭保持又通气的加气方式反复周期性地加入渗氮气体介质），使反应器罐内腔中的渗氮气体介质的压力呈矩形脉冲式的变化,该矩形脉冲的周期范围为10分钟～200分钟，其渗氮气体介质的压力变化保持在0MPa～0.050MPa的范围。本发明不仅具有操作简单、适合于批量生产的优点，而且还具有加工效率高、产品质量好和产品质量稳定等优点。

Description

一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法及装置

技术领域

 本发明涉及一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法及装置，属于钛合金渗氮技术领域。

背景技术

由于钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀性好和具有良好的低温韧性和生物相容性等优点，因而被广泛应用于国防、化工、能源、航空航天和生物工程等领域。但由于钛合金表面硬度不高，因此其存在着耐磨损性及耐疲劳性差，易和许多材料发生粘着磨损等缺点。

表面改性技术是提高钛合金硬度、耐磨性和耐疲劳性的有效办法，从国内外的研究来看，钛合金的表面改性技术大致经历了从以电镀、化学镀、热扩散、镀膜为代表的传统强化，到等离子体、离子束、电子束、激光等现代表面强化技术的发展历程。电镀形成的镀层与基体的结合强度低，易导致镀层开裂、剥落。气相沉积CVD法一般要在较高的温度(1000～1100℃)下进行，容易引起基体组织的结晶、再长大等变化，降低工件的强度和影响工件形状尺寸，且成本高昂。PVD﹙目前广泛采用的磁控溅射﹚法由于膜层和基体间存在明显的界面，结合强度差，涂层薄。等离子喷涂后涂层表面较粗糙，因为喷涂速度高，喷涂不易控制，对喷涂复杂工件比较困难，易产生强紫外线污染，同时成本也较高。钛合金表面激光强化得到的表面同样很粗糙，光洁度差，且硬化层薄而不均匀，在融覆层和基体之间很容易引起开裂，融覆层内部也会出现气孔和裂纹，且设备昂贵。离子渗氮表面硬度好，且硬度均匀，但是成本较高，效率低，限制了这种技术在实际生产中的应用。

气体渗氮简单易行，成本低廉，可以在钛合金表面形成氮化物硬质相，显著提高耐磨性能和腐蚀性能。但钛合金常规的气体渗氮随着氮化膜厚度的增加，氮和钛具有很强的亲和力，致密的氮化层将阻碍氮的深入，同时钛合金极易氧化，致密的氧化膜也将阻碍氮的向内扩散，因此现有的气体渗氮技术存在着氮化速度慢、渗层薄、渗层脆及处理时间过长等缺点。所以现有的钛合金表面气体渗氮技术还是不够理想，不能满足使用的需要。

发明内容

本发明的目的是：提供一种操作简单、质量稳定、适合于批量生产的钛合金低压脉冲真空渗氮方法及装置，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：本发明的一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法为，对需要进行渗氮处理的钛合金试样或钛合金工件按以下步骤进行处理：先将钛合金试样或钛合金工件表面清理干净后放入低压脉冲真空渗氮装置的反应器罐内腔中，然后将反应器罐密封、检漏后进行抽真空，同时对反应器罐进行加热，使其内腔的温度保持在700℃～1000℃，然后向反应器罐内腔中采用脉冲加气的方式加入渗氮气体介质，即采用通气、关闭保持、抽气、关闭保持又通气的加气方式反复周期性地加入渗氮气体介质，从而使反应器罐内腔中的渗氮气体介质压力呈矩形脉冲方式变化，该矩形脉冲的周期范围为10分钟～200分钟，同时使反应器罐内腔中的渗氮气体介质的压力变化保持在0MPa～0.050MPa的范围，其渗氮处理时间控制在2小时～72小时；待通过这种低压脉冲真空渗氮处理的方式达到所需的时间后，可在保持反应器罐内腔中的渗氮气体介质压力或再对反应器罐内腔进行抽真空处理的基础上，将反应器罐内腔的温度降到300℃以下后即可取出钛合金试样或钛合金工件，从而完成氮化处理。

上述的渗氮气体介质为高纯氮气或高纯氮气+高纯氩气的混合气体，在该混合气中按摩尔比计，高纯氮气：高纯氩气=1：1～5：1。

上述的高纯氮气或高纯氩气的纯度大于或等于99.9%。

根据上述方法构建的本发明的一种低压脉冲真空渗氮装置为，该装置包括加热炉和控制加热炉温度的智能程序控温仪，在加热炉的炉膛内设有反应器，反应器通过不锈钢气体管路分别与高纯氩气瓶和高纯氮气瓶连接，在反应器上通过排气管道连接有真空泵，在加热炉上安装有用于测试加热炉炉膛内温度的热电偶，并且热电偶通过信号传输线与智能程序控温仪连接，在高纯氩气瓶和高纯氮气瓶的出气口的管道上都分别安装有压力表，并且在高纯氩气瓶的出气口端装有氩气控制阀门、在高纯氮气瓶的出气口端装有氮气控制阀门，在连接真空泵和反应器的排气管道上安装有真空规和排气控制阀门。

上述反应器由反应器罐、反应器盖和法兰盘组成，反应器罐的罐体设置在加热炉的炉膛内，法兰盘固定在反应器罐的端口，反应器盖通过连接螺栓连接在法兰盘上并将反应器罐的端口封闭住，不锈钢气体管路和排气管道分别连接在反应器盖上并与反应器罐的内腔连通。

在上述反应器盖与法兰盘之间还垫有密封圈。

在上述的法兰盘上设有能与冷却水源连接的循环水冷却管。

上述热电偶设置在加热炉炉膛中并靠近反应器罐堆放钛合金试样或钛合金工件的位置处。

上述的氩气控制阀门、氮气控制阀门或排气控制阀门为手动控制阀门或为电动控制阀门。

由于采用了上述技术方案，采用本发明，可在钛合金工件的表面上形成一层致密、高硬度、耐腐蚀及耐磨损的氮化层，经试验和实际试用证明，本发明具有以下的优点和特点：

1、真空渗氮技术是利用真空加热时工件表面清洁、无氧化等特点进行渗氮，可防止内氧化、氢脆、疏松及黑色等组织缺陷。真空渗氮时，一方面，工件表面吸附的其他气体和粘附物将被脱附排出炉外，减少了杂质与空穴的障碍，工件表面被净化，活性增加，促进渗氮过程中活性氮原子的吸收，从而提高氮原子在工件表面的吸附能力及扩散速度；另一方面，可减少气氛中的有害物质，有效地阻止其他气体在工件表面形成吸附层，净化炉内气氛。

2、低压下渗氮具有较高的氮势，能产生较多的活性氮原子，低压渗氮的氮势比普通气体渗氮提高约40%，炉压处于低压时，炉内气氛均匀，可解决带狭缝、小孔（微孔）、深孔、盲孔工件渗层不均匀的难题。脉冲渗氮技术是以周期反复间歇式通/抽气方式进行渗氮。一方面，炉压处于低压时，狭缝及孔内的气氛被强行排出，充气时又强行加入新鲜气体，气体交换可达到任何与炉气相通的部位。另一方面，脉冲周期交换炉气，在工件表面的滞留气薄层迅速遭到破坏，新气氛产生新的活性原子，加快了活性原子在工件表面的碰撞，使渗入元素在工件表面的吸附速度和反应速率得到有效提高。

所以，本发明与现有技术相比，本发明不仅具有操作简单、适合于批量生产的优点，而且还具有加工效率高、产品质量好和产品质量稳定等优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为图1中反应器安装在加热炉上时的结构示意图；

图3为实施例1中钛合金试样与无脉冲真空氮化样的表面XRD图谱对比；

图4为实施例2中钛合金氮化层界面SEM形貌图片；

图5为实施例3中钛合金与未经处理的钛合金磨痕比较SEM形貌图片（其中图5(a)为未经处理的钛合金磨痕，图5(b)为经实施例3处理后的钛合金磨痕）。

附图标记说明：1、高纯氩气瓶；2、高纯氮气瓶；3、不锈钢气体管路；4、氩气控制阀门；5、压力表；6、氮气控制阀门；7、智能程序控温仪；8、热电偶；9、加热炉；10、反应器；11、真空规；12、排气控制阀门；13、真空泵；14、排气管道；15、钛合金试样或钛合金工件。10-1、反应器罐；10-2、反应器盖；10-3、连接螺栓；10-4、循环水冷却管；10-5、密封圈；10-6、法兰盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

在对常规的钛合金试样或钛合金工件进行渗氮处理时，可采用本发明的一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法进行处理，该方法是对需要进行渗氮处理的钛合金试样或钛合金工件按以下步骤进行：先将钛合金试样或钛合金工件表面清理干净后放入低压脉冲真空渗氮装置的反应器罐内腔中，然后将反应器罐密封、检漏后进行抽真空，同时对反应器罐进行加热，使其内腔的温度保持在700℃～1000℃，然后向反应器罐内腔中采用脉冲加气的方式加入渗氮气体介质，即采用通气、关闭保持、抽气、关闭保持又通气的加气方式反复周期性地加入渗氮气体介质，从而使反应器罐内腔中的渗氮气体介质压力呈矩形脉冲方式变化，该矩形脉冲的周期范围为10分钟～200分钟，同时使反应器罐内腔中的渗氮气体介质的压力变化保持在0MPa～0.050MPa的范围，其渗氮处理时间控制在2小时～72小时；待通过这种低压脉冲真空渗氮处理的方式达到所需的时间后，可在保持反应器罐内腔中的渗氮气体介质压力或再对反应器罐内腔进行抽真空处理的基础上，将反应器罐内腔的温度降到300℃以下后即可取出钛合金试样或钛合金工件，从而完成氮化处理。所用的渗氮气体介质可采用现有技术中的高纯氮气或高纯氮气+高纯氩气的混合气体，在该混合气中按摩尔量配比计，各气体所占的摩尔量配比为，高纯氮气：高纯氩气=1：1～5：1，所用的高纯氮气或高纯氩气的纯度大于或等于99.9%。

根据上述方法构建的本发明的一种低压脉冲真空渗氮装置的结构示意图如图1和图2所示，该装置包括加热炉9和控制加热炉温度的智能程序控温仪7，其加热炉9可采用现有技术中的中温箱式电炉或管式电阻炉，其智能程序控温仪7可直接采用现有技术中的成品，同时按传统的自动控温连接方式，将智能程序控温仪7通过导线与加热炉9和热电偶8连接；在加热炉9的炉膛内设直有反应器10，将反应器10通过不锈钢气体管路3分别与高纯氩气瓶1和高纯氮气瓶2连接，在反应器10上通过排气管道14连接一个真空泵13，在加热炉9上安装有用于测试加热炉9炉膛内温度的热电偶8，并且热电偶8通过信号传输线与智能程序控温仪7连接，在高纯氩气瓶1和高纯氮气瓶2的出气口的管道上都分别安装有压力表5，并且在高纯氩气瓶1的出气口端装有氩气控制阀门4、在高纯氮气瓶2的出气口端装有氮气控制阀门6，在连接真空泵13和反应器10的排气管道14上安装有真空规11和排气控制阀门12；其反应器10由反应器罐10-1、反应器盖10-2和法兰盘10-6组成，反应器罐10-1的罐体设置在加热炉9的炉膛内，法兰盘10-6固定在反应器罐10-1的端口，反应器盖10-2通过连接螺栓10-3连接在法兰盘10-6上并将反应器罐10-1的端口封闭住，不锈钢气体管路3和排气管道14分别连接在反应器盖10-2上并与反应器罐10-1的内腔连通；为了达到更好的密封效果，可在反应器盖10-2与法兰盘10-6之间垫一个耐高温的密封圈10-5；为了便于对反应器罐10-1进行降温控制，可在法兰盘10-6上安装一个能与冷却水源连接的循环水冷却管10-4；在安装热电偶8时，最好将其安装在加热炉9炉膛中并靠近反应器罐10-1堆放钛合金试样或钛合金工件15的位置处；其所用的氩气控制阀门4、氮气控制阀门6或排气控制阀门12可根据使用的需要直接采用现有技术中的手动控制阀门或为电动控制阀门，当采用电动控制阀门时，可采用现有技术中的单片机或PLC（程序控制装置），并按传统的自动控制连接方式将单片机或PLC与电动控制阀门和智能程序控温仪7连接后，即可实现全自动控制渗氮处理。

下面是采用本发明的几个具体实施例：

实施例1：对TC4钛合金试样进行渗前预处理(试样的整理，清理等)，将经过预处理的试样或工件装入反应器的反应器罐中，并将反应器罐密封、检漏后抽真空，通过加热炉将反应器加热，其真空氮化工艺参数为：温度800℃、渗氮介质为99.999%的高纯N₂、使反应器罐中的渗氮介质压力在0 MPa～0.015MPa之间变化，即通过本发明的装置先充高纯N₂气30min后关闭氮气控制阀门15 min（这时反应器罐中的高纯N₂压力保持在0.015MPa），然后迅速开启排气控制阀门进行抽真空30min（这时氮气控制阀门保持关闭状态），然后关闭排气控制阀门5 min后，再迅速开启氮气控制阀门向反应器罐中充高纯N₂30min（这时排气控制阀门保持关闭状态）；如此反复循环8次后，即可完成低压脉冲真空渗氮处理阶段，这时继续保持反应器罐中的渗氮介质压力为0.015MPa，并将反应器罐中的温度降温到300℃以下后取出钛合金试样，这样即可完成整个氮化处理工序。图3为本实施例中钛合金试样与无脉冲真空氮化样的表面XRD图谱对比。

实施例2：对TC4钛合金试样进行渗前预处理(试样的整理，清理等)，将经过预处理的试样或工件装入反应器的反应器罐中，并将反应器罐密封、检漏后抽真空，通过加热炉将反应器加热，其真空氮化工艺参数为：温度850℃、渗氮介质为按摩尔比为1:1的高纯N₂+高纯Ar、使反应器罐中的渗氮介质压力在0 MPa～0.015MPa之间变化，即通过本发明的装置先充渗氮介质30min后同时关闭氮气控制阀门和氩气控制阀门15 min（这时反应器罐中的渗氮介质压力保持在0.015MPa），然后迅速开启排气控制阀门进行抽真空30min（这时氮气控制阀门和氩气控制阀门保持关闭状态），然后关闭排气控制阀门5 min后，再迅速开启氮气控制阀门和氩气控制阀门向反应器罐中充渗氮介质30min（这时排气控制阀门保持关闭状态）；如此反复循环6次后，即可完成低压脉冲真空渗氮处理阶段，这时继续保持反应器罐中的渗氮介质压力为0.015MPa，并将反应器罐中的温度降温到300℃以下后取出钛合金试样，这样即可完成整个氮化处理工序。将该试样经过10%的HF腐蚀液腐蚀后观察其渗层组织的微观形貌，如图4的SEM图片所示。

实施例3：对TC4钛合金试样进行渗前预处理(试样或工件的整理，清理等)，将经过预处理的试样或工件装入反应器的反应器罐中，并将反应器罐密封、检漏后抽真空，通过加热炉将反应器加热，其真空氮化工艺参数为：温度800℃、渗氮介质为99.999%高纯N₂、使反应器罐中的渗氮介质压力在0 MPa～0.020MPa之间变化，即通过本发明的装置先充渗氮介质30min后关闭氮气控制阀门15 min（这时反应器罐中的高纯N₂压力保持在0.020MPa），然后迅速开启排气控制阀门进行抽真空30min（这时氮气控制阀门保持关闭状态），然后关闭排气控制阀门5 min后，再迅速开启氮气控制阀门向反应器罐中充渗氮介质30min（这时排气控制阀门保持关闭状态）；如此反复循环8次后，即可完成低压脉冲真空渗氮处理阶段，这时继续保持反应器罐中的渗氮介质压力为0.020MPa，并将反应器罐中的温度降温到300℃以下后取出钛合金试样，这样即可完成整个氮化处理工序。在盘销式摩擦磨损试验机上对采用本发明实施例3处理过的钛合金试样与未处理过的钛合金试样的基体材料进行30min的端面滑动摩擦试验，通过扫描电镜观察摩擦面微观形貌，图片如图5所示，其中图5(a)为未经处理的钛合金磨痕，图5(b)为经本实施例3处理后的钛合金磨痕。

从上述实施例中的图谱或图片可知，通过本发明对钛合金试样或钛合金工件处理后，可在其钛合金工件的表面上形成一层致密、高硬度、耐腐蚀及耐磨损的氮化层。因此，通过本发明处理的工件的表面质量大大好于采用现有方式处理的工件表面质量。

Claims (8)

1.一种钛合金低压脉冲真空渗氮方法，其特征在于，对需要进行渗氮处理的钛合金试样按以下步骤进行处理：先将钛合金试样表面清理干净后放入低压脉冲真空渗氮装置的反应器罐内腔中，然后将反应器罐密封、检漏后进行抽真空，同时对反应器罐进行加热，使其内腔的温度保持在700℃～1000℃，然后向反应器罐内腔中采用脉冲加气的方式加入渗氮气体介质，即采用通气、关闭保持、抽气、关闭保持又通气的加气方式反复周期性地加入渗氮气体介质，从而使反应器罐内腔中的渗氮气体介质压力呈矩形脉冲方式变化，该矩形脉冲的周期范围为10分钟～200分钟，同时使反应器罐内腔中的渗氮气体介质的压力变化保持在0MPa～0.050MPa的范围，其渗氮处理时间控制在2小时～72小时；待通过这种低压脉冲真空渗氮处理的方式达到所需的时间后，可在保持反应器罐内腔中的渗氮气体介质压力或再对反应器罐内腔进行抽真空处理的基础上，将反应器罐内腔的温度降到300℃以下后即可取出钛合金试样，从而完成氮化处理。

2.根据权利要求1所述的钛合金低压脉冲真空渗氮方法，其特征在于，所述的渗氮气体介质为高纯氮气或高纯氮气+高纯氩气的混合气体，在该混合气中按摩尔比计，高纯氮气：高纯氩气=1：1～5：1。

3.根据权利要求1所述的钛合金低压脉冲真空渗氮方法，其特征在于，所述的高纯氮气或高纯氩气的纯度大于或等于99.9%。

4.一种低压脉冲真空渗氮装置，包括加热炉（9）和控制加热炉温度的智能程序控温仪（7），其特征在于：在加热炉（9）的炉膛内设有反应器（10），反应器（10）通过不锈钢气体管路（3）分别与高纯氩气瓶（1）和高纯氮气瓶（2）连接，在反应器（10）上通过排气管道（14）连接有真空泵（13），在加热炉（9）上安装有用于测试加热炉（9）炉膛内温度的热电偶（8），并且热电偶（8）通过信号传输线与智能程序控温仪（7）连接，在高纯氩气瓶（1）和高纯氮气瓶（2）的出气口的管道上都分别安装有压力表（5），并且在高纯氩气瓶（1）的出气口端装有氩气控制阀门（4）、在高纯氮气瓶（2）的出气口端装有氮气控制阀门（6），在连接真空泵（13）和反应器（10）的排气管道（14）上安装有真空规（11）和排气控制阀门（12）；反应器（10）由反应器罐（10-1）、反应器盖（10-2）和法兰盘（10-6）组成，反应器罐（10-1）的罐体设置在加热炉（9）的炉膛内，法兰盘（10-6）固定在反应器罐（10-1）的端口，反应器盖（10-2）通过连接螺栓（10-3）连接在法兰盘（10-6）上并将反应器罐（10-1）的端口封闭住，不锈钢气体管路（3）和排气管道（14）分别连接在反应器盖（10-2）上并与反应器罐（10-1）的内腔连通。

5.根据权利要求4所述的低压脉冲真空渗氮装置，其特征在于：在反应器盖（10-2）与法兰盘（10-6）之间还垫有密封圈（10-5）。

6.根据权利要求4所述的低压脉冲真空渗氮处理装置，其特征在于：在法兰盘（10-6）上设有能与冷却水源连接的循环水冷却管（10-4）。

7.根据权利要求4所述的低压脉冲真空渗氮装置，其特征在于：热电偶（8）设置在加热炉（9）炉膛中并靠近反应器罐（10-1）堆放钛合金试样或钛合金工件（15）的位置处。

8.根据权利要求4所述的低压脉冲真空渗氮装置，其特征在于：所述的氩气控制阀门（4）、氮气控制阀门（6）或排气控制阀门（12）为手动控制阀门或为电控阀门。