CN103602946B - 一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法 - Google Patents
一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法属化学热处理领域。按照以下步骤进行：将钛合金零件清洗干净后放入真空热处理炉，抽真空使得真空热处理炉的压强在0.13Pa以下，加热到850℃~950℃，通入100~300mmHg氮气，保温4~8h，使通入的气体与零件表面形成高硬度的氮化物，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，获得深度0.02～0.10mm、表面硬度HV850～HV1300的硬化层，满足零件表面耐磨性要求。本发明钛合金渗氮层的抗磨损性能是材料本体的100倍以上，在室温下，是高温轴承材料Cr4Mo4V高温轴承钢的2倍，在120℃温度下，是Cr4Mo4V高温轴承钢的4倍。作为高温轴承的对磨零件，可提高零件1倍以上的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属化学热处理领域，具体涉及一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法。
背景技术
钛合金表面强化方法有：钛合金渗氧、钛合金表面阳极化处理、电火花加工等表面强化技术，这些方法只能使表面硬度达到HV500~HV600，只能满足与本体材料对磨的要求；而与本工艺方法制造的零件对磨副是高温轴承钢，其硬度高达HV800，采用上述方法制造的零件很快就会磨损，满足不了使用要求；国内有报道采用离子渗氮的方法，虽然硬度能够满足要求，但该方法渗氮剂采用通入氨或氮-氢混合气体，这些气体中的氢对于钛合金而言都是有害的，航空零件要求氢含量小于120ppm，因为吸入氢使钛合金零件产生氢脆，因此，渗氮过程中，不允许有氢的气氛存在。另外一种方法是化学沉积氮化钛，此方法能够满足硬度要求HV850以上，但只是在钛合金表面形成一层小于0.01mm的硬化层，与基体机械结合，硬度陡降，在工作过程中容易剥落。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法，能够提高钛合金表面硬度和耐磨性，解决钛合金零件与高碳轴承零件对磨过程中啮合问题，可以代替轴承钢，由于钛合金的比重小，可以显著降低零件的重量，提高零件使用寿命，特别适合制造燃气涡轮发动机部件。
本发明一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法，按照以下步骤进行：
将钛合金零件清洗干净后放入真空热处理炉，抽真空使得真空热处理炉的压强在0.13Pa以下，加热到850℃~950℃，通入100~300mmHg氮气，保温4~8h，使通入的气体与零件表面形成高硬度的氮化物，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，获得深度0.02～0.10mm、表面硬度HV850～HV1300的硬化层，满足零件表面耐磨性要求。
所述的钛合金为Ti-5Al-2.5Sn。
所述钛合金零件使用丙酮清洗。
渗氮过程中的氮浓度：气体中氮含量最少时的渗氮可使耐磨性最高，耐磨性最差时在纯氮气氛中。随混合气体中氮含量的升高，耐磨性降低的原因是由于氮化物薄膜逐渐增长的阻碍性的影响，使扩散层厚度降低。高硬度(1700-2000Hv)及高脆性的氮化物薄膜在表面上不仅阻碍了基体充氮，而且当磨损断裂时，起到了磨料作用，加大了磨损性。因此，通入气体的压强决定了氮化层质量，本发明通入氮气压强为100~300mmHg之间。
渗氮温度：温度是影响扩散速度的重要因素。温度越高，则扩散速度越大，渗层厚度也相应增加。但温度过高，就会超过钛合金的相变点(950-1002℃)，破坏基材原有的力学性能，这一点在生产实践中是至关重要的。本发明的渗氮温度为850℃~950℃。
渗氮保温时间：在其它参数不变的情况下，随着时间的延长，渗层厚度也会增加。但当时间延长到一定值时，渗层增厚的速度减慢，为获得深度0.02～0.10mm、表面硬度HV850～HV1300的渗氮层，渗氮时间为4h~8h。
加热及冷却方式：钛合金在加热过程中，对氧的亲和力比氮强，在氧和氮的气氛中首先被氧化，因此，在加热过程中要严格控制氧的含量。本发明采取的方法是在加热前，将真空工作压强抽至0.13Pa以下，然后加热，到达渗氮温度后通入氮气。
钛合金具有高的比强度、优良的耐腐蚀性、良好的高温性能等，是新兴的结构和功能材料。但是，钛合金的普遍缺点就是硬度低、耐磨性能差。纯钛的硬度约为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。这样的硬度值在很多情况下不能满足实际生产应用的要求。为了进一步达到提高钛合金耐蚀性、耐磨性、抗微动磨损性、高温抗氧化性等目的，对钛合金进行表面渗氮处理是进一步扩大钛合金使用范围的有效途径。保证渗氮零件表面硬度和耐磨性，解决钛合金零件表面耐磨性问题。
通过真空渗氮处理试验，发现该硬化层对钛合金零件表面强化作用明显，它适合用于要求较高的耐磨性的零件，特别适合于燃气涡轮发动机轴承座等零件的表面强化，经此方法强化的钛合金零件可以与高硬度的轴承钢对磨，由于硬度相近，因而不产生咬合现象，同时，在工作过程中不容易剥落，可以延长工作零件的使用寿命。与采用高温轴承钢制造该零件相比，可以显著降低发动机零件的重量。
通过力学性能对比试验，渗氮层耐磨性对比试验，渗氮前后零件尺寸测量，找出渗氮过程对力学性能和耐磨性的影响及渗氮过程对零件尺寸的影响。
不同热处理制度下的力学性能室温拉伸性见表1、高温瞬时拉伸性能表2、高温持久性能表3。由表1表2表3可以看出：渗氮后的试样室温拉伸性能略有降低；高温瞬时拉伸性能基本相当；高温持久性能略有降低；但均满足技术条件要求。
表1室温拉伸性能
表2高温瞬时拉伸性能
表3高温持久性能
摩擦磨损试验结果见表4，Ti-5Al-2.5Sn钛合金退火（白色）和渗氮（金黄色）试样见图1。渗氮部位与Cr4Mo4V高温轴承接触，轴承的硬度为61HRC~63HRC，零件渗氮表面要达到63HRC（HV830）以上才能满足使用要求。渗氮零件如图4所示，渗氮后半成品零件实物如图5所示。采用真空渗氮的方法，在一定温度、时间及真空度下，通入氮气，使氮原子在零件表面形成钛的氮化物，零件经渗氮后，表面呈金黄色，并获得高硬度。试验机型号：GW/ML—MS高温磨损试验机；重庆一坪公司4109航空润滑油；载荷：8N，转速200r/min，转数6000转，摩擦系数取稳定状态的平均值。由表4可以看出：使用本方法制备的渗氮层，其抗磨损性能是本体材料的100倍以上，在室温下，是高温轴承材料的2倍，在120℃温度下，是高温轴承材料Cr4Mo4V的4倍。渗氮后的零件作为与高温轴承钢制作的零件对磨，可提高零件1倍以上的使用寿命。
表4渗氮在室温和120℃磨损量数据
渗氮工艺对试样尺寸的影响如表5所示，由表5可以看出：试样渗氮前、后尺寸最大涨大量仅有0.005mm；最大增重0.0237g，对尺寸及重量的影响可以忽略不计。
表5试样渗氮前、后尺寸及重量变化
| 试样号 | 渗氮前尺寸mm | 渗氮后尺寸mm | 尺寸变化量mm | 渗氮前重量g | 渗氮后重量g | 重量变化量g |
| 9 | 5.55 | 5.56 | +0.01 | |||
| 11 | 5.15 | 5.15 | 0 | |||
| 12 | 5.475 | 5.475 | 0 | |||
| 13 | 5.32 | 5.32 | 0 | |||
| 14 | 5.54 | 5.545 | +0.005 | |||
| 15 | 5.51 | 5.512 | +0.002 | 16.1929 | 16.2166 | +0.0237 |
| 16 | 5.59 | 5.588 | -0.002 | 16.698 | 16.7142 | +0.0162 |
| 17 | 2.01 | 2.01 | 0 | 2.8746 | 2.8843 | +0.0097 |
渗氮层相结构分析结果如图3所示，X射线相结构分析结果说明，渗氮层中的主要强化相为TiN、Ti2N、TiN0.3应控制TiO2的形成，因此，应控制渗氮过程中炉内的氧含量。
本发明钛合金渗氮层的抗磨损性能是材料本体的100倍以上，在室温下，是高温轴承材料Cr4Mo4V高温轴承钢的2倍，在120℃温度下，是Cr4Mo4V高温轴承钢的4倍。作为高温轴承的对磨零件，可提高零件1倍以上的使用寿命。该工艺在国内首次工程化应用于燃气涡轮发动机零件上，能显著降低零件重量，是填补国内航空发动机钛合金轴承座工程化应用空白的工艺方法。
附图说明
图1为摩擦磨损试验试样，
图2为对磨试验盘，
图3为X射线相结构分析曲线，
图4为渗氮零件示意图，
图5为渗氮后半成品零件实物图，
图6为试样实物图，
图7为实施例1硬度压痕图片，
图8为实施例1渗层深度图片，
图9为实施例2硬度压痕图片，
图10为实施例2渗层深度图片，
图11为实施例3硬度压痕图片，
图12为实施例3渗层深度图片，
图13为实施例4硬度压痕图片，
图14为实施例4渗层深度图片，
图15为实施例5硬度压痕图片，
图16为实施例5渗层深度图片，
图17为实施例6硬度压痕图片，
图18为实施例6渗层深度图片，
图19为实施例7硬度压痕图片，
图20为实施例7渗层深度图片，
图21为实施例8硬度压痕图片，
图22为实施例8渗层深度图片，
图23为实施例9硬度压痕图片，
图24为实施例9渗层深度图片。
具体实施方式
本发明所用真空热处理炉为HPVⅢ-200型高压真空气淬炉；显微硬度计型号为：日本岛津HMV-1T型；光学金相显微镜型号为：西德OPTON405M型；磨损试验机型号为GW/ML—MS高温磨损试验机；X射线衍射仪型号为：日本理学（RIGAKU）株式会社，D/MAX-2500PC型。
实施例1
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，实物见图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，充入气体N2压力200mmHg，然后加热到850℃，在850℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表6。由表6可以看出，表面颜色为金黄色。硬度压痕图片如图7所示，由图7可以看出，显微硬度压痕由表及里逐步增大，硬度逐步降低。渗层深度图片如图8所示，由图8可以看出：渗层连续、均匀，与基体有明显的区别，能清楚的分辨出渗层，渗层较浅，只有0.02mm。
表6不同温度下的渗层深度、表面硬度、表面颜色
实施例2
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，充入气体N2压力200mmHg，然后加热到900℃，在900℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，由表6可以看出，表面金黄色。然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表6。硬度压痕图片如图9所示，由图9可以看出，显微硬度压痕与实施例1基本相同；渗层深度图片如图10所示，由图10可以看出，渗层深度为0.07mm。
实施例3
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到950℃，充入气体N2压力200mmHg；在950℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，由表6可以看出，表面颜色为金黄色。然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表6。硬度压痕图片如图11所示，由图11可以看出，显微硬度压痕与实施例1及实施例2比略有降低；渗层深度图片如图12所示，由图12可以看出，渗层深度0.10mm。通过实施例1、2、3对比可以看出随温度提高渗层越深。
实施例4
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，将试样吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到900℃，充入气体N2压力200mmHg；在900℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表7。硬度压痕图片如图13所示，由表7和图13可以看出，表面颜色为金黄色，显微硬度为1112HV。渗层深度图片如图14所示，由图14可以看出，渗层深度为0.07mm。
表7不同时间下的渗层深度、表面硬度、表面颜色
。
实施例5
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，将试样吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到900℃，充入气体压力为：N2压力200mmHg；在900℃保温6h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表7。硬度压痕图片如图15所示，由表7和图15可以看出，表面颜色为金黄色，显微硬度为1383HV。渗层深度图片如图16所示，由图16可以看出，渗层深度为0.09mm。
实施例6
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，将试样吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到900℃，充入气体压力为：N2压力200mmHg；在900℃保温8h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表7。硬度压痕图片如图17所示，由表7和图17可以看出，表面颜色为金黄色，显微硬度为1118HV。渗层深度图片如图18所示，由图18可以看出，渗层深度为0.10mm，与实施例5相同，通过实施例4、5、6对比，可以看出保温时间在6h以后，继续延长保温时间渗层深度变化不大。
实施例7
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将上述试样用丙酮清洗干净，晾干，将试样吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到900℃，充入气体压力为：N2压力100mmHg；在900℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表8。硬度压痕图片如图19所示，由表8和图19可以看出，表面颜色为金黄色，显微硬度为1061HV。渗层深度图片如图20所示，由图20可以看出，渗层深度为0.07mm。
表8不同压力下的渗层深度、表面硬度、表面颜色
。
实施例8
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将试样吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到900℃，充入气体压力为：N2压力200mmHg；在900℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表8。硬度压痕图片如图21所示，由表8和图21可以看出，表面颜色为金黄色，显微硬度为1110HV。渗层深度图片如图22所示，由图22可以看出，渗层深度为0.07mm。
实施例9
将Ti-5Al-2.5Sn钛合金合金棒材加工，加工流程：Φ40mm棒材-车加工-两端磨加工；加工成Φ30×5mm试样，试样见实物图6。
将试样吊挂在真空炉内，加热前先将真空工作压强抽至6.65×10-3Pa以下，然后加热到900℃，充入气体压力为：N2压力300mmHg；在900℃保温4h，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，观察表面颜色，然后将试样用水冷砂轮切割机垂直于渗层表面切断，镶嵌后制取金相试样，用显微硬度计打截面硬度，用光学金相显微镜检查渗层深度，渗层深度、硬度及表面颜色见表8。硬度压痕图片如图23所示，由表8和图23可以看出，表面颜色为金黄色，显微硬度为1045HV。渗层深度图片如图24所示，由图24可以看出，渗层深度为0.07mm。通过实施例7、8、9对比可以看出，N2压力在100mmHg~300mmHg范围内，渗层深度和显微硬度几乎无变化。
Claims (2)
1.一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
将钛合金零件清洗干净后放入真空热处理炉，抽真空使得真空热处理炉的压强在0.13Pa以下，加热到850℃~950℃，通入100~300mmHg氮气，保温4~8h，使通入的气体与零件表面形成高硬度的氮化物，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，获得深度0.02～0.10mm、表面硬度HV850～HV1300的硬化层；所述的钛合金为Ti-5Al-2.5Sn。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法，其特征在于所述钛合金零件使用丙酮清洗。
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