CN110760788A - 铸造钛合金表面硬度的改性处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铸造钛合金表面硬度的改性处理方法。包括以下步骤：S1、工件预处理：对装入离子氮化炉的铸造钛合金工件进行辉光放电；S2、工件离子氮化处理：采用辉光叠加的方式对铸造钛合金工件的表面进行局部离子氮化处理，在铸造钛合金工件表面的局部区域形成氮化层。利用本发明提供的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法能够通过铸造钛合金辉光离子氮化得到的氮化层具有稳定、硬度高、机械加工性能好等优点，解决氮化前镜筒直径的留量与氮化层的层深存在不可逾越的矛盾的技术问题。

Description

铸造钛合金表面硬度的改性处理方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种通过辉光离子氮化处理对铸造钛合金表面硬度进行改性的方法。
背景技术
铸造钛合金具有密度小、强度高、耐高温和腐蚀的特点，在航空航天领域得到广泛应用。多数航空相机镜筒采用铸造钛合金材料，镜筒的轨道精度是保证相机光学成像的关键技术指标，由于铸造钛合金机体强度高，硬度相对较低，硬度仅28HRC左右，同时铸造钛合金不能通过常规热处理进行强化，在相机工作时镜筒轨道面与硬度60HRC的钢球组成的滚动系统成为了相机成像的技术瓶颈，该技术瓶颈很大制约了航空相机的精度指标。为了解决这一问题，通过辉光离子氮化处理方式对铸造钛合金表面进行改性，以提高镜筒轨道面的硬度，缩小轨道面与钢球的硬度差，提高滚动系统精度。
通常情况下，铸造钛合金辉光经过辉光离子氮化后形成的氮化层厚度仅为0.25mm左右。由于铸造钛合金的氮化温度较高，在氮化过程中镜筒的变形较大。在技术要求下，镜筒圆度需要达到0.01mm，若氮化前镜筒直径的留量小于0.1mm，则氮化过程中镜筒的变形量会存在超差的风险，若氮化前镜筒直径的留量大于0.2mm，则氮化后机械加工会导致氮化层的硬度下降，不能满足氮化提高硬度的意义。因此，氮化前镜筒直径的留量与氮化层的层深存在不可逾越的技术矛盾。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决氮化前镜筒直径的留量与氮化层的层深存在不可逾越的技术矛盾的问题，提出了一种采用辉光叠加方式对铸造钛合金表面进行局部氮化的方法，仅使镜筒的轨道面区域温度达到氮化温度，从而在保证镜筒的轨道面硬度的情形下，减小镜筒的整体变形量。
本发明提供的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，包括以下步骤：
S1、工件预处理：对装入离子氮化炉的铸造钛合金工件进行辉光放电；
S2、工件离子氮化处理：采用辉光叠加的方式对铸造钛合金工件的表面进行局部离子氮化处理，在铸造钛合金工件表面的局部区域形成氮化层。
优选地，在步骤S1之前还包括如下步骤：S0、工件前处理：将铸造钛合金工件加热到700～850℃，保温至少1小时。
优选地，步骤S2具体包括如下步骤：
S201、通过调整氮化工艺参数，使铸造钛合金工件的表面温度逐渐升高，当铸造钛合金工件的表面温度升到预设温度时，通入稀薄气体，通过辉光叠加的方式使铸造钛合金工件表面的局部温度达到氮化温度；
S202、保持步骤S201的氮化工艺参数不变保温预设时间。
优选地，步骤S201中的氮化工艺参数包括电压、电流和导通比。
优选地，使电压逐渐增加到800～1000V，电流逐渐增加到5～10A，增大导通比至0.8～1.0。
优选地，步骤S201中的预设温度为350℃～500℃，氮化温度为850～950℃。
优选地，步骤S202中的预设时间为8～24小时。
优选地，步骤S201中的稀薄气体为氨气或者为氨气与氮气的混合气体。
优选地，通入稀薄气体的流量为0.6～0.9ml/min。
优选地，S3、除氢处理：在真空状态下将经过离子氮化处理的工件加热到750～900℃，保温至少1小时。
本发明能够取得以下技术效果：
1、通过铸造钛合金辉光离子氮化得到的氮化层具有稳定、硬度高、机械加工性能好等优点。
2、氮化工艺参数可调，能够使本发明适用于不同尺寸的铸造钛合金表面改性处理及表面局部改性处理。
3、铸造钛合金改性后，机体化学成分没有改变，满足航空航天产品技术要求。
4、本发明能够在提高铸造钛合金工件局部表面硬度的情形下，减小铸造钛合金工件的整体变形量，解决工件直径的留量与氮化层的层深存在不可逾越的矛盾的技术问题。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1所示，本发明实施例提供了一种铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造钛合金表面工件前处理。
本步骤为可选步骤，其目的在于消除铸造钛合金工件表面的加工应力，减小氮化过程中的变形。本步骤为后续进行表面改性的前处理步骤，如铸造钛合金表面工件已消除机械加工应力，则本步骤可以省略。
本发明可以采用机械方式(包括亚共振、喷丸等方式)或热处理方式消除铸造钛合金工件表面的加工应力，例如采用高温退火方式消除铸造钛合金工件表面的加工应力。
本发明示例性的举出一种高温退火方式的处理步骤，包括：将铸造钛合金工件加热到750～900℃，保温至少1个小时，随炉冷却至100℃以下出炉。
作为优选的实施方式，保温时间为1～2小时，且优选在真空状态下进行高温退火处理，去应力效果更好。
步骤2：铸造钛合金工件预处理。
对装入离子氮化炉的铸造钛合金工件进行辉光放电处理，利用辉光放电现象产生足够的动能轰击作为阴极的铸造钛合金工件，为后续的氮化处理创造条件，具体步骤包括：
步骤2.1、将铸造钛合金工件装入离子氮化炉的真空容器中。
以铸造钛合金工件作为阴极，真空容器罩为阳极或在容器内另设金属阳极。
步骤2.2、打开机械泵对真空容器进行抽真空，使真空容器的真空度达到20～200Pa。
氮化处理环境为真空低压环境。
步骤2.3、启动高压电源，向阴极和阳极施加直流电压时，使两极间的稀薄气体被电离，从而产生辉光放电现象。
步骤3：铸造钛合金工件离子氮化处理。
本发明针对镜筒的留量与氮化层的层深存在技术矛盾的问题，采用辉光叠加的方式对铸造钛合金工件的镜筒轨道面进行局部离子氮化处理，在铸造钛合金工件的镜筒轨道面区域形成氮化层，在提高镜筒轨道面硬度的情形下，减小镜筒的整体变形量。当然，本发明提供的改性处理方法不只局限于对镜筒的离子氮化处理，还可以对其他铸造钛合金(ZTC4)工件的表面进行局部离子氮化处理，并且，处理方式也不局限于局部氮化，还可以采用常规的离子氮化处理方式对铸造钛合金工件表面的全部区域进行氮化处理，在铸造钛合金工件表面生成氮化层。
辉光叠加是通过设置镜筒轨道面内外侧的辉光叠加工装实现的，辉光叠加工装能够使镜筒轨道面的局部温度快速达到铸造钛合金的氮化温度(850～950℃)进行氮化，而镜筒其他部分的温度只能达到500℃左右，无法进行氮化，即实现了对镜筒轨道面的辉光叠加。
由于只在镜筒轨道面的局部区域进行氮化处理，因此，镜筒轨道面的局部区域能够生成氮化层，以提高镜筒轨道面的硬度，而镜筒的其他部分未进行氮化处理，可以减小镜筒的整体变形量。
辉光叠加工装全部采用钛合金材料，防止氮化过程腐蚀工件。辉光叠加工装为现有技术，故其结构和工作原理在本发明中不再赘述。
工件离子氮化处理的具体过程如下：
3.1、通过调整氮化工艺参数，使铸造钛合金工件的表面温度逐渐升高，当铸造钛合金工件的表面温度升到预设温度时，通入稀薄气体，通过辉光叠加的方式使铸造钛合金工件表面的局部温度达到氮化温度。
在本发明的一个实施例中，氮化处理的氮化工艺参数包括电压、电流和导通比。在高压电源开启后，电压逐渐增加到850～1000V，电流逐渐增加到5～10A，增大导通比至0.8～1.0。
当镜筒轨道面的温度升到预设温度时，通入稀薄气体。在辉光叠加工装的作用下，使镜筒轨道面的温度逐渐升高至氮化温度(850～950℃)。
预设温度为350℃～500℃，优选地，预设温度为350℃，即在镜筒轨道面的温度升到350℃时，向真空容器内通入稀薄气体。
本发明中的稀薄气体为氨气或氨气与氩气按照不同比例配置的混合气体。优选采用氨气作为稀薄气体，通入氨气的流量为0.6～0.9ml/min。
3.2、当温度升高到850～900℃时，保持步骤3.1的氮化工艺参数不变保温预设时间。
此步骤的目的是增加生成的氮化层的深度、提高轨道面的表面硬度。
保持步骤3.1的氮化工艺参数不变保温预设时间是指电压保持在800～1000V，电流保持在5～10A，导通比保持在0.8～1.0，保温8～24小时。
然后逐渐降低电压、电流，减小导通比。当温度降低到500℃以下时，关闭气源。在真空状态下冷却至100℃以下出炉。
步骤4：铸造钛合金工件除氢处理。
本发明可以对氮化后生成氮化层的铸造钛合金工件进行除氢处理，使氮化层中氢含量满足航天要求，该步骤可选步骤，如氮化层中的氢含量已满足航天要求，则不必进行此步骤。
除氢处理优选在真空环境下进行。例如：将其放在真空炉内加热到750～900℃，保温至少1小时，随炉冷却至200℃以下出炉。保温时间优选为1～1.5小时。
对氮化后生成氮化层的铸造钛合金工件进行除氢处理的目的是除去氮化过程中氢含量对铸造钛合金的不利影响，以满足航天要求。
下面结合具体实施例对本发明的具体方案作进一步详细的说明。
需要说明的是，下述几个实施例中的工件为经过辉光放电预处理的工件。
实施例1
氮化工艺参数为：电压升至850V、电流升至5A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为12小时。
检测结果：氮化层层深为0.13mm，表面硬度为512HV，工件变形量为0.03mm。
实施例2
氮化工艺参数为：电压升至850V、电流升至6.5A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为24小时。
检测结果：氮化层层深为0.16mm，表面硬度为535HV，工件变形量为0.03mm。
实施例3
氮化工艺参数为：电压升至900V、电流升至7.5A、氨气的流量为0.75ml/min、导通比增至0.9、气压为180Pa。氮化温度为900℃，保温时间为12小时。
检测结果：氮化层层深为0.19mm，表面硬度为684HV，工件变形量为0.05mm。
实施例4
氮化工艺参数为：电压升至900V、电流升至7.5A、氨气的流量为0.75ml/min、导通比增至0.9、气压为180Pa。氮化温度为900℃，保温时间为24小时。
检测结果：氮化层层深为0.32mm，表面硬度为712HV，工件变形量为0.05mm。
实施例5
氮化工艺参数为：电压升至920V、电流升至8A、氨气的流量为0.75ml/min、导通比增至0.95、气压为190Pa。氮化温度为950℃，保温时间为12小时。
检测结果：氮化层层深为0.27mm，表面硬度为658HV，工件变形量为0.16mm。
实施例6
氮化工艺参数为：电压升至800V、电流升至10A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为24小时。
检测结果：氮化层层深为0.15mm，表面硬度为540HV，工件变形量为0.03mm。
实施例7
氮化工艺参数为：电压升至1000V、电流升至10A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为12小时。
检测结果：氮化层层深为0.14mm，表面硬度为520HV，工件变形量为0.03mm。
实施例8
氮化工艺参数为：电压升至860V、电流升至6.5A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为8小时。
检测结果：氮化层层深为0.10mm，表面硬度为494HV，工件变形量为0.03mm。
实施例9
氮化工艺参数：电压升至860V、电流升至6.5A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为12小时。
检测结果：氮化层层深为0.13mm，表面硬度为512HV，工件变形量为0.03mm。
实施例10
氮化工艺参数：电压升至860V、电流升至6.5A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为16小时。
检测结果：氮化层层深为0.15mm，表面硬度为522HV，工件变形量为0.03mm。
实施例11
氮化工艺参数：电压升至860V、电流升至6.5A、氨气的流量为0.6ml/min、导通比增至0.8、气压为150Pa。氮化温度为850℃，保温时间为24小时。
检测结果：氮化层层深为0.16mm，表面硬度为535HV，工件变形量为0.03mm。
实施例12
氮化工艺参数：电压升至900V、电流升至7.5A、氨气的流量为0.75ml/min、导通比增至0.9、气压为180Pa。氮化温度为900℃，保温时间为8小时。
检测结果：氮化层层深为0.15mm，表面硬度为668HV，工件变形量为0.05mm。
实施例13
氮化工艺参数：电压升至900V、电流升至7.5A、氨气的流量为0.75ml/min、导通比增至0.9、气压180Pa。氮化温度为900℃，保温时间为12小时。
检测结果：氮化层层深为0.19mm，表面硬度为684HV，工件变形量为0.05mm。
实施例14
氮化工艺参数：电压升至900V、电流升至7.5A、氨气的流量为0.75ml/min、导通比增至0.9、气压为180Pa。氮化温度为900℃，保温时间为16小时。
检测结果：氮化层层深为0.25mm，表面硬度为696HV，工件变形量为0.05mm。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、工件预处理：对装入离子氮化炉的铸造钛合金工件进行辉光放电；
S2、工件离子氮化处理：采用辉光叠加的方式对铸造钛合金工件的表面进行局部离子氮化处理，在铸造钛合金工件表面的局部区域形成氮化层。
2.根据权利要求1所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括如下步骤：
S0、工件前处理：将铸造钛合金工件加热到700～850℃，保温至少1小时。
3.根据权利要求1所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：
S201、通过调整氮化工艺参数，使铸造钛合金工件的表面温度逐渐升高，当铸造钛合金工件的表面温度升到预设温度时，通入稀薄气体，通过辉光叠加的方式使铸造钛合金工件表面的局部温度达到氮化温度；
S202、保持步骤S201的氮化工艺参数不变保温预设时间。
4.根据权利要求3所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，步骤S201中的氮化工艺参数包括电压、电流和导通比。
5.根据权利要求4所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，使电压逐渐增加到850～1000V，电流逐渐增加到5～10A，增大导通比至0.8～1.0。
6.根据权利要求3所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，步骤S201中的预设温度为350℃～500℃，氮化温度为850～950℃。
7.根据权利要求3所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，
步骤S202中的预设时间为8～24小时。
8.根据权利要求3所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，步骤S201中的稀薄气体为氨气或者为氨气与氮气的混合气体。
9.根据权利要求8所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，通入所述稀薄气体的流量为0.6～0.9ml/min。
10.根据权利要求1所述的铸造钛合金表面硬度的改性处理方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括如下步骤：
S3、除氢处理：在真空状态下将经过离子氮化处理的工件加热到750～900℃，保温至少1小时。
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