CN113308664A - 一种钛合金零件表面渗氮处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金零件表面渗氮处理方法，该方法包括：1）对钛合金零件原材料进行预热处理；2）对经过预热处理的零件原材料进行粗加工得到半成品零件，半成品零件具有待渗氮表面；3）对半成品零件的待渗氮表面进行表面渗氮处理得到渗氮后零件；4）对渗氮后零件进行精加工得到成品零件。本发明解决了现有钛合金零件表面渗氮处理工艺存在的热变形难以控制、质量稳定性差和成品率低等问题，从而显著提高钛合金零件表面渗氮处理的质量稳定性和产品成品率并降低钛合金渗氮成本，有助于极大地推动钛合金零件表面渗氮处理工艺的广泛工程应用。
Description
技术领域
本发明属于金属热处理及表面处理技术领域，具体而言，涉及一种金属零件表面渗氮处理方法，特别是一种钛合金零件表面渗氮处理方法。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、热稳定性好、耐蚀性好等突出特点，广泛应用于航空、航天、海洋、化工、医疗等军用和民用领域。但钛合金材料但也存在着硬度低，摩擦系数高且不稳定，化学性质较活泼，高温高速摩擦易燃(工钛火”火，耐磨性能较差等不足，具有严重的粘着磨损和微动磨损敏感性，极大的限制了钛合金零件的广泛应用。例如在航空航天工业中，大量重大事故的主要起因就是钛合金零件的粘着磨损，如用钛合金制作的导杆、活塞轴和连杆轴等部件易与对摩擦副产生粘着引起磨损，最终导致轴失效。因此，在钛合金零件加工制造完毕后，如何通过一步简单的后处理表面加工技术，在钛合金零件表面制备出耐磨性能优良，且与基材之间形成牢固的冶金结合的耐磨涂层，获得既能保持钛合金零件基体优异性能又能获得高硬度耐磨表面的零件，无疑是解决钛合金零件摩擦磨损失效，提高其使用寿命的最经济、最有效、最灵活可行的手段之一。
表面渗氮处理时钛合金零件一种主要的表面加工技术之一，通过将钛合金零件在高温条件下在含N的介质中（一般为N2，NH3等气体或混合气体）长时间反应，在钛合金表面生成一层由表层致密的TiN化合物层和内部N元素扩散层构成硬化层，可以显著提高钛合金的表面硬度和耐磨性等表面性能，目前表面渗氮处理主要包括气体渗氮和离子渗氮两种工艺。如图1、2所示，钛合金原材料1经过精加工得到零件2，零件2经过表面渗氮处理得到表面具有渗氮层7的渗氮后零件3。但由于N2等含N介质的活性较低，即便是在离子渗氮工艺条件下中，一般需要在800℃以上的较高温度才能和Ti发生明显的化学反应生成TiN硬化层，并且所需要的保温时间较长。然而在如此高的温度加热冷却条件下，已精加工的钛合金零件的热变形问题非常严重，往往渗氮后钛合金零件外形尺寸发生明显变形而需要后续加工，甚至报废，导致目前钛合金零件的表面渗氮处理质量稳定性不高。如采用目前图1-2所示的该渗氮处理工艺得到的钛合金成品零件的外径变化为50-60μm，并且无法进行修复，导致零件报废。
有研究表明通过表面纳米化等强烈塑性变形可以实现在较低温度条件下进行钛合金零件表面渗氮处理，但目前表面纳米化工艺尚不成熟且仅适用于平面等非常简单的形状，无法应用于实际零件。因此，如何提高钛合金零件表面渗氮处理的变形和质量稳定性、提高成品率、降低成本是目前钛合金零件表面渗氮处理需要解决的关键问题。
发明内容
为了解决目前钛合金零件表面渗氮处理时热变形难以控制、质量稳定性和成品率低等问题，本发明提出了一种钛合金零件表面渗氮处理方法，与目前现有钛合金零件表面渗氮处理方法相比，本发明可以有效解决现有钛合金零件表面渗氮处理的热变形问题，从而显著提高钛合金零件表面渗氮处理的质量稳定性和产品成品率。
作为本发明的其中一方面，本发明提出一种钛合金零件表面渗氮处理方法，包括：1）对钛合金零件原材料进行预热处理；2）对经过预热处理的零件原材料进行粗加工得到半成品零件，半成品零件具有待渗氮表面；3）对半成品零件的待渗氮表面进行表面渗氮处理得到渗氮后零件；4）对渗氮后零件进行精加工得到成品零件。
首先，本发明中的预热处理是为了解决后面渗氮处理工艺可能带来的热变形问题而专门设计的一个热处理工艺。在该预热处理之前，钛合金原材料已经经过了传统热处理工艺从而具有合格的显微组织和力学性能，又要考虑后面的渗氮变形问题，所以预热处理的温度和冷却方式应该基本与后面渗氮工艺相同，也就是通过预热处理让尚未加工的零件原材料充分发生热变形，从而显著降低后面渗氮处理工艺可能导致的热变形。
其次，本发明的预热处理和粗加工都是为了降低渗氮工艺的变形问题设计的，本发明中渗氮处理前的粗加工是仅仅加工出来渗氮表面，最大限度的保持原始形状，利用规则实心材料的热变形较小的特征来降低渗氮工艺的热变形。
进一步，步骤1）中钛合金零件原材料为钛合金棒材、锻件或板材。预热处理工艺采用与后面钛合金零件表面渗氮处理工艺（包括气体渗氮和离子渗氮等工艺）相同的热处理温度和冷却方式，处理时间一般为1-2h。并且经过该预热处理工艺处理后钛合金零件原材料不发生明显力学性能降低。
进一步，步骤2）中对经过预热处理的零件原材料进行粗加工得到待渗氮表面，并且粗加工还包括将需要待渗氮表面加工到成品零件的最终尺寸。另外粗加工还包括将原材料除了待渗氮处理表面的其他部分尽可能的保留原材料状态不加工。具体加工的程度和方法由零件的具体形状确定。
进一步，步骤3）中对半成品零件进行表面渗氮处理，可采用现有标准的钛合金零件表面渗氮处理工艺，包括气体渗氮和离子渗氮等工艺。
进一步，步骤4）中对渗氮后零件进行精加工，主要对渗氮表面以外的其他部分进行精加工得到成品零件，达到成品零件要求的尺寸，而渗氮表面不需要再加工、从而最大限度的实现了表面强化效果。
本发明通过发明一种钛合金零件表面渗氮处理方法，解决了现有钛合金零件表面渗氮处理工艺存在的热变形难以控制、质量稳定性差和成品率低等问题，从而显著提高钛合金零件表面渗氮处理的质量稳定性和产品成品率，并降低钛合金渗氮成本，有助于极大地推动钛合金零件表面渗氮处理工艺的广泛工程应用。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为现有技术中的钛合金零件表面渗氮工艺流程图；
附图2为现有技术中的钛合金零件表面渗氮工艺示意图；
附图3为根据本发明具体实施方式的钛合金零件表面渗氮工艺流程图；
附图4为根据本发明具体实施方式的钛合金零件表面渗氮工艺示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图3-4所示，为根据本发明具体实施方式的钛合金零件表面渗氮处理方法的主要流程图和示意图。
该钛合金零件表面渗氮处理方法包括：
1）对钛合金零件原材料1进行预热处理得到经过预热处理的零件原材料4；2）对经过预热处理的零件原材料4进行粗加工得到半成品零件5，半成品零件5具有待渗氮表面；3）对半成品零件5的待渗氮表面进行表面渗氮处理得到渗氮后零件3；4）对渗氮后零件3进行精加工得到具有表面渗氮层7的成品零件6。
作为本发明其中一优选的实施方式，步骤1）中钛合金零件原材料为钛合金棒材、锻件或板材。预热处理工艺采用与后面钛合金零件表面渗氮处理工艺（包括气体渗氮和离子渗氮等工艺）相同的热处理温度和冷却方式，处理时间一般为1-2h。并且经过该预热处理工艺处理后钛合金零件原材料不发生明显力学性能降低。
作为本发明其中一优选的实施方式，步骤2）中对经过预热处理的钛合金零件原材料进行粗加工得到待渗氮表面，并且粗加工还包括将需要待渗氮表面加工到成品零件的最终尺寸。另外粗加工还包括将原材料除了待渗氮处理表面的其他部分尽可能的保留原材料状态不加工。具体加工的程度和方法由零件的具体形状确定。
作为本发明其中一优选的实施方式，步骤3）中对半成品零件4进行表面渗氮处理，可采用现有标准的钛合金零件表面渗氮处理工艺，包括气体渗氮和离子渗氮等工艺。
作为本发明其中一优选的实施方式，步骤4）中对渗氮后零件进行精加工，主要对渗氮表面以外的其他部分进行精加工得到成品零件，达到成品零件要求的尺寸，而渗氮表面不需要再加工、从而最大限度的实现了表面强化效果。
根据本发明具体实施方式的一具体例中，采用图3-4所示的渗氮处理方法对某钛合金零件进行处理，最终得到的成品零件的外径变化只有3-8μm，在公差允许范围内，相比于该钛合金零件传统渗氮处理工艺的50-60μm的外径变化，大大提高了成品率和渗氮质量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种钛合金零件表面渗氮处理方法，其特征在于，该方法包括：1）对钛合金零件原材料进行预热处理；2）对经过预热处理的零件原材料进行粗加工得到半成品零件，半成品零件具有待渗氮表面；3）对半成品零件的待渗氮表面进行表面渗氮处理得到渗氮后零件；4）对渗氮后零件进行精加工得到成品零件。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤1）中钛合金零件原材料为钛合金棒材、锻件或板材。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤1）中的预热处理采用与步骤3）中的表面渗氮处理工艺相同的热处理温度和冷却方式。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的处理方法，其特征在于：步骤2）中对经过预热处理的零件原材料进行粗加工得到待渗氮表面，并且粗加工还包括将需要待渗氮表面加工到成品零件的最终尺寸。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的处理方法，其特征在于：步骤2）中粗加工还包括将零件原材料除了待渗氮处理表面的其他部分尽可能的保留原材料状态不加工。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的处理方法，其特征在于：步骤3）中表面渗氮处理包括气体渗氮或离子渗氮。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的处理方法，其特征在于：步骤4）中对渗氮后零件的渗氮表面以外的部分进行精加工得到成品零件。
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