CN105603358B - 一种钛合金超声刀表面强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛合金超声刀表面强化方法，包括以下步骤：(1)钛合金超声刀表面机械加工、磨削抛光；(2)将达到表面粗糙度要求的钛合金超声刀清洗、干燥；(3)将钛合金超声刀放入离子氮化炉内进行氮化处理，氮化处理工艺参数包括：极间距为30～50mm，阴极偏压小于等于300V，离子氮化炉内经过氩气洗气除氧后抽真空至真空压力<5Pa，离子氮化炉内填充气体介质为NH3，气体流量为300～400L/h，氮化压力为80～120Pa，氮化温度800～1000℃，氮化时间3～7h，氮化处理完成后，钛合金基体在氩气环境下随炉冷却至室温后出炉。与现有技术相比，本发明工艺处理后，其硬度与未离子氮化处理钛合金基体相比提升2～3倍，耐磨损能力提高8～25倍；具有耐磨损、抗氧化能力强、高温稳定性好的特点。

Description

一种钛合金超声刀表面强化方法
技术领域
本发明涉及金属表面工程领域，尤其是涉及一种钛合金超声刀表面强化方法。
背景技术
钛合金是目前使用的材料中比强度最高的材料之一，它具有一系列优异特性，如优良的耐腐蚀性、低温稳定特性、拥有良好的生物相容性等，使其在航空航天、海工化工、生物医学及民用工业等领域发挥着巨大的作用。且钛矿藏丰富，占地壳重量0.6％，仅次于铝、铁、镁三种金属，占据地壳金属元素丰度的第四位，我国目前已成为钛工业大国。但由于钛合金的耐磨性差、高温使用性能不足、在某些还原性介质中耐蚀性弱等缺陷，严重制约了钛工业的发展，与西方发达国家相比，我国钛工业仍需加大发展力度，促使向钛工业强国转变。为此，国内进行了大量的研究工作，来提高钛合金基体性能和表面性能。
橡胶切割用钛合金超声刀的原理与传统意义上的机械切割刀完全不同。超声波切割的原理是通过超声波发生器将50Hz电能转换成40KHz电能，再通过磁致伸缩换能器将电能转换成为同等频率的机械(振动)能，随后机械振动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到切割刀。切割刀将接收到的振动能量传递到待切割工件的切割面，切割刀口的振动能量激活(加热)橡胶材料，并割裂橡胶材料的分子链，从而实现对胶料的切割。但通常橡胶切割用钛合金超声刀在工作过程中由于表面磨损导致粗糙度增大而使切割过程中与橡胶材料产生粘连，引起超声刀工作过程中受到侧向力的作用，而导致刃口受力状态失衡，产生卷刃、崩刃，甚至断裂失效。所以，通过表面强化可有效改善工作状态，从而提高橡胶切割用钛合金超声刀的使用寿命。
中国专利CN 102965613A公布了一种钛合金低温表面渗氮，属于金属表面热处理改性技术领域，先将钛合金表面先进行喷砂清洗，然后进行化学机械研磨、抛光，同时将粉末状晶体氰酸钠(NaCNO)和颗粒状晶体氰酸钾(KCNO)与稀土CeO2粉末按一定比例混合后制成渗氮试剂，将此试剂与处理后的钛合金材料放入到坩埚内压实并密封后烘干，然后将坩埚放入到高温炉内进行加热的一种表面化学热处理工艺方法。其采用渗氮试剂，并利用热处理方法来进行渗氮，一方面渗氮剂所需原料不易取得，另外热处理工艺操作复杂，反应条件要求高。
发明内容
本发明的目的是为了克服橡胶切割用钛合金超声刀耐磨性能差、抗氧化能力不足、服役寿命短等方面的缺陷，通过对橡胶切割用钛合金超声刀表面进行氮化处理，形成表面耐磨损、抗高温氧化的TiN和Ti2N化合物保护层，增强超声刀耐磨损能力和抗高温氧化能力，从而提高其服役寿命，而且工艺简单，成本较低。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种钛合金超声刀表面强化方法，包括以下步骤：
(1)钛合金超声刀表面机械加工、磨削抛光；
(2)将达到表面粗糙度要求的钛合金超声刀清洗、干燥；
(3)将钛合金超声刀放入离子氮化炉内进行氮化处理。
磨削抛光后钛合金超声刀的表面粗糙度要求Ra<0.8μm。
所述的清洗方法为：依次使用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗，超声频率80Hz，每种洗涤溶液中超声清洗时间为10～20min。
所述的干燥环境为氮气无尘环境，干燥温度为室温。
氮化处理工艺参数包括：以钛合金超声刀工件为阴极，阳极与真空壳体连接接地，在阴阳两极之间接入直流电，形成高能电场；为保证氮源气体离化后氮离子对工件的高效撞击，极间距选择为30～50mm，阴极偏压小于等于300V；为避免由于氧存在引起钛合金的氧化，离子氮化炉内经过氩气洗气除氧后抽真空至真空压力<5Pa；离子氮化炉内填充气体介质为成本相对更低的NH3作为氮源更符合本发明所述钛合金超声刀成本的经济性；为保证气体环境的稳定和高离化率，气体流量为300～400L/h，氮化压力为80～120Pa；为保证氮离子与Ti充分反应，选择氮化温度800～1000℃，同时避免氮化时间过短氮化层过薄或时间过长氮化减弱造成的NH3浪费，使用氮化时间3～7h；氮化处理完成后，钛合金基体在氩气环境下随炉冷却至室温后出炉，避免高温氧化现象。
氮化处理的原理为：通过通入含氮气体介质，提供生成TiN和Ti2N所需要的氮源；在两极间的直流高压作用下，被电离发生辉光放电，放电过程中氮离子和氢离子在高压电场的作用下，冲向阴极钛合金超声刀表面，同时氮的离子或原子被钛合金超声刀表面所吸附，并迅速扩散，形成一定厚度的氮化层，而电离出的氢离子到达钛合金超声刀表面后有助于去除钛合金超声刀表面的氧化膜，提高了离子氮化的质量。
所述的钛合金超声刀尤其适用于橡胶切割用钛合金超声刀。
钛合金的表面处理方法主要有离子渗氮、镀膜、离子注入等。镀膜膜层较薄；离子注入操作复杂，成本高，而且对工艺要求严格，限制了工业应用。而本发明采用的渗氮作为最常用的表面改性工业生产方法之一，有着成本少，渗速快，工件变形小，组织成分容易控制等优点，且生成的氮化层具有硬度高、耐磨性好、抗氧化能力强、高温稳定性能优良的特点，有效的改善了钛合金工业应用性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在钛合金超声刀表面形成一层化合物和N的扩散固溶层，化合物的成分主要为TiN和Ti2N，其硬度与未离子氮化处理钛合金基体相比提升2～3倍，耐磨损能力提高8～25倍；具有耐磨损、抗氧化能力强、高温稳定性好的特点。
附图说明
图1为经过本发明强化方法处理后的钛合金超声刀结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种橡胶切割用TC4钛合金超声刀表面强化方法，采用LD2-50型离子氮化炉设备氮化处理超声刀表面，通过通入含氮气体介质，提供生成TiN所需要的氮源；在两极间的直流高压作用下，被电离发生辉光放电，放电过程中氮离子和氢离子在高压电场的作用下，冲向阴极钛合金超声刀表面，同时氮的离子或原子被钛合金超声刀表面所吸附，并迅速扩散，形成一定厚度的氮化层，而电离出的氢离子到达钛合金超声刀表面后有助于去除钛合金超声刀表面的氧化膜，提高了离子氮化的质量。主要工艺包括如下步骤：
(1)使用去除材料加工的方法，将TC4钛合金板材加工成要求的橡胶切割用TC4钛合金超声刀，磨削抛光后表面粗糙度达到Ra<0.8μm；
(2)将橡胶切割用TC4钛合金超声刀依次放入丙酮、无水乙醇、蒸馏水中超声清洗，去除表面加工留下的油污，每次超声清洗时间为15min，超声仪设置频率为80Hz，再用氮气常温吹干；
(3)将橡胶切割用TC4钛合金超声刀放入离子氮化炉进行离子氮化处理，主要工艺参数包括极间距为30mm，阴极偏压250V，经过氩气洗气除氧后真空压力0.1Pa，气体介质为NH3，气体流量为350L/h，氮化压力为80Pa，氮化温度900℃，氮化时间7h，氩气环境下随炉冷却至室温后出炉。
橡胶切割用TC4钛合金超声刀经表面离子氮化处理后，其结构如图1所示，包括钛合金超声刀基体层1，以及基体层1表面厚度为203μm的氮化层2，氮化层2表面显微硬度为HV1100。
同样使用工况下，经离子氮化后超声刀表面磨损状况得到改善，服役寿命提高50％以上。
实施例2
一种钛合金超声刀表面强化方法，包括以下步骤：
(1)钛合金超声刀表面机械加工、磨削抛光，磨削抛光后钛合金超声刀的表面粗糙度为Ra＝0.75μm；
(2)将达到表面粗糙度要求的钛合金超声刀依次使用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗，超声频率80Hz，每种洗涤溶液中超声清洗时间为10min，氮气无尘环境下采用室温进行干燥；
(3)将钛合金超声刀放入离子氮化炉内进行氮化处理，氮化处理工艺参数包括：极间距为30mm，阴极偏压为300V，离子氮化炉内经过氩气洗气除氧后抽真空至真空压力<5Pa，离子氮化炉内填充气体介质为NH3，气体流量为300L/h，氮化压力为80Pa，氮化温度800℃，氮化时间7h，氮化处理完成后，钛合金基体在氩气环境下随炉冷却至室温后出炉。
经本实施例工艺处理后，在钛合金超声刀基体表面形成厚度为195μm的氮化层，其表面显微硬度为HV1060。
同样使用工况下，经离子氮化后超声刀表面磨损状况得到改善，服役寿命提高50％以上。
实施例3
一种钛合金超声刀表面强化方法，包括以下步骤：
(1)钛合金超声刀表面机械加工、磨削抛光，磨削抛光后钛合金超声刀的表面粗糙度为Ra＝0.5μm；
(2)将达到表面粗糙度要求的钛合金超声刀依次使用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗，超声频率80Hz，每种洗涤溶液中超声清洗时间为15min，氮气无尘环境下采用室温进行干燥；
(3)将钛合金超声刀放入离子氮化炉内进行氮化处理，氮化处理工艺参数包括：极间距为40mm，阴极偏压为290V，离子氮化炉内经过氩气洗气除氧后抽真空至真空压力<5Pa，离子氮化炉内填充气体介质为NH3，气体流量为350L/h，氮化压力为100Pa，氮化温度900℃，氮化时间5h，氮化处理完成后，钛合金基体在氩气环境下随炉冷却至室温后出炉。
经本实施例工艺处理后，在钛合金超声刀基体表面形成厚度为200μm的氮化层，其表面显微硬度为HV1200。
同样使用工况下，经离子氮化后超声刀表面磨损状况得到改善，服役寿命提高50％以上。
实施例4
一种钛合金超声刀表面强化方法，包括以下步骤：
(1)钛合金超声刀表面机械加工、磨削抛光，磨削抛光后钛合金超声刀的表面粗糙度为Ra＝0.6μm；
(2)将达到表面粗糙度要求的钛合金超声刀依次使用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗，超声频率80Hz，每种洗涤溶液中超声清洗时间为20min，氮气无尘环境下采用室温进行干燥；
(3)将钛合金超声刀放入离子氮化炉内进行氮化处理，氮化处理工艺参数包括：极间距为50mm，阴极偏压小于等于300V，离子氮化炉内经过氩气洗气除氧后抽真空至真空压力<5Pa，离子氮化炉内填充气体介质为NH3，气体流量为400L/h，氮化压力为120Pa，氮化温度1000℃，氮化时间3h，氮化处理完成后，钛合金基体在氩气环境下随炉冷却至室温后出炉。
经本实施例工艺处理后，在钛合金超声刀基体表面形成厚度为210μm的氮化层，其表面显微硬度为HV1020。
同样使用工况下，经离子氮化后超声刀表面磨损状况得到改善，服役寿命提高50％以上。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钛合金超声刀表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钛合金超声刀表面机械加工、磨削抛光；
(2)将达到表面粗糙度要求的钛合金超声刀清洗、干燥；
(3)将钛合金超声刀放入离子氮化炉内进行氮化处理；
氮化处理工艺参数包括：极间距为30～50mm，阴极偏压小于等于300V，离子氮化炉内经过氩气洗气除氧后抽真空至真空压力<5Pa，离子氮化炉内填充气体介质为NH3，气体流量为300～400L/h，氮化压力为80～120Pa，氮化温度800～1000℃，氮化时间3～7h，氮化处理完成后，钛合金基体在氩气环境下随炉冷却至室温后出炉。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金超声刀表面强化方法，其特征在于，磨削抛光后钛合金超声刀的表面粗糙度要求Ra<0.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金超声刀表面强化方法，其特征在于，所述的清洗方法为：依次使用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗，超声频率80Hz，每种洗涤溶液中超声清洗时间为10～20min。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金超声刀表面强化方法，其特征在于，所述的干燥环境为氮气无尘环境，干燥温度为室温。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金超声刀表面强化方法，其特征在于，所述的钛合金超声刀为橡胶切割用钛合金超声刀。
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