CN117551967A - 一种提高钛合金零件耐磨性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钛合金零件耐磨性的方法，属于金属材料表面改性技术领域，包括以下步骤：将滚磨光整加工协同表面清洗有效介入钛合金试件盐浴复合处理技术中，提高预处理表面质量；将处理后的试件在580℃，4h的条件下进行盐浴氮化，之后在400℃，20min的条件下进行盐浴氧化；将盐浴氧化后的试件进行清洗干燥。本发明将滚磨光整加工和盐浴复合处理技术相结合对钛合金进行表面处理，提高了钛合金的表面硬度及耐磨性，对工件产生的变形小，对环境影响小，且工艺简单，成本低，适于工业化大批量生产，与现有传统方法相比有很大优势。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，特别是涉及一种提高钛合金零件耐磨性的方法。
背景技术
钛合金具有强度高、耐热及耐蚀性好等特点，已经广泛应用于航空航天等制造领域，但其硬度低，耐磨性差。工程实际中常采用渗氮、渗碳、涂镀等方式进行表面处理提高其耐磨性，但高温处理很容易使零部件产生变形，影响配合精度。
盐浴复合处理技术（QPQ）是将C、N、O等多种元素通过盐浴渗氮及盐浴氧化工艺过程渗入工件表面，在基体表面形成致密的Fe3O4氧化膜及内部形成多种高硬度耐磨化合物，进而大幅度提高工件表层性能。其工作温度低、处理后的零件几乎不变形，已用于改善钢制零部件的耐磨性及耐腐蚀性，效果明显、环保、且效率高。但直接用于钛合金表面处理时，存在表层易氧化，抑制氮元素渗入的问题，很难提高钛合金的耐磨性。
滚磨光整加工技术是将具备研磨-抛光-光饰-微量磨削等功能的颗粒介质和具备清洗-防锈-软化-光亮-润滑-缓冲等功能的液体介质，依据一定的几何约束和运动约束构成一个强制的液粒耦合流场。待加工工件在流场中被颗粒介质以不同程度的作用力对零件表面进行碰撞、滚压、滑擦、刻划，可有效去除零件表面的氧化皮并改善零件表面完整性，提高零件表面物理力学性能，提高表面硬度及耐磨性，提高零件表面质量。
现有专利（CN113913916A）公布了去除钛合金表面氧化皮的方法，通过电化学抛光的方式，去除钛合金表面氧化皮，但其方法成本较高，易造成污染。专利（CN114717507A）公布了同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法，通过离子渗氮的方法，提高钛合金耐磨性。专利（CN110565047A）公布了一种钛合金表面渗氮工艺，通过真空渗氮的方法提高钛合金耐磨性。但现有各方法对所需设备要求较高，费用昂贵，且具有一定的危险性。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高钛合金零件耐磨性的方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种提高钛合金零件耐磨性的方法，包括以下步骤：
对钛合金试件进行表面滚磨光整加工和表面清洁度处理；
将处理后的试件在580℃，4h的条件下进行盐浴氮化，之后在400℃，20min的条件下进行盐浴氧化；
将盐浴氧化后的试件进行清洗干燥。
可选地，进行表面滚磨光整处理过程包括：将试件、滚抛磨块、磨液放置于滚磨光整容器中，进行20~30min的滚磨光整。
可选地，所述滚磨光整加工根据零件结构材料的不同选择对应的加工工艺，所述加工工艺至少包括离心式、振动式、主轴式以及往复式。
可选地，所述试件放置位置基于加工工艺选择自由随流或者固定约束在滚磨光整几何约束容器中。
可选地，进行表面清洗的处理过程包括：将滚磨光整加工后的试件按照丙酮、酒精、去离子水的顺序依次各清洗10min，去除表面油污。
可选地，进行盐浴氮化的氧化炉中氮化盐的CNO-浓度为34%~35%。
可选地，进行盐浴氮化和盐浴氧化时温度的上下浮动均不超过10℃。
可选地，进行清洗干燥的过程包括：将盐浴氧化后的试件先置于冷水中爆去表面余盐，然后进行超声清洗，最后进行试件干燥。
本发明的技术效果为：
本发明中滚磨光整加工代替了传统的抛光工序，使得抛光更均匀，抛光效果更好；另一方面作为盐浴复合处理技术的前处理工序，改善钛合金盐浴渗氮难的问题。本发明将滚磨光整加工和盐浴复合处理技术相结合对钛合金进行表面处理，提高了钛合金的表面硬度及耐磨性，对工件产生的变形小，对环境影响小，且工艺简单，成本低，适于工业化大批量生产，与现有传统方法相比有很大优势。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的提高钛合金零件耐磨性的方法流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种提高钛合金零件耐磨性的方法，其步骤包括：滚磨光整、表面清洗、盐浴渗氮、盐浴渗氧以及清洗干燥，下面对各个步骤进行详细描述。
S1：滚磨光整。具体步骤为：将试件、滚抛磨块、磨液放置于滚磨光整容器中，以250~350r/min转速、60~80%磨块填充量、5ml磨液添加量及容器中部的试件放置位置、20~30min的时间开始滚磨光整。
滚磨光整工艺可以大大提高试件的表面质量，包括去除毛刺、降低表面粗糙度值、提高表面硬度、提高表面光洁度等。该工艺有且不限于离心式、振动式、主轴式以及往复式抛光等。根据试件大小、加工需求确定滚磨光整方式后，需进一步确定其加工参数。本实施例针对20*10*10mm大小的典型试块进行处理，使用了立式离心滚磨光整设备，采用材质为SiC、形状为3*3斜三角的滚抛磨块，磨块填充量为70%，磨液由HYF滚抛磨液及水配置，滚磨光整时转速为350r/min，加工时间为30min。
S2：表面清洗。具体步骤为：将待处理试件按照丙酮、酒精、去离子水的顺序依次各清洗10min。
S3：使用盐浴复合处理技术（QPQ）处理工艺处理待处理试件。该工艺主要分为两部分：盐浴渗氮、盐浴渗氧。其中，盐浴渗氮具体步骤为：将待处理试件放置于用于盐浴氮化的氮化炉中在580℃的温度盐浴氮化处理4h。期间需控制氮化盐的CNO-浓度在34%~35%、氮化温度上下浮动不超过10℃。
S4：盐浴渗氧。具体步骤为：将盐浴渗氮处理后的试件置于用以盐浴氧化的氧化炉中以温度400℃、时间20min的参数进行盐浴氧化。盐浴氧化的目的在于去除盐浴氮化后试件表面所附着的CNO-离子，防止污染环境，并且可生成其他物质提高钛合金的耐腐蚀性能。期间需要控制盐浴氧化温度上下浮动不超过10℃。
S5：清洗干燥。具体步骤为：将盐浴处理后的试件先置于冷水中爆去表面余盐，然后进行超声清洗，在未烧开的热水中保存一段时间后取出自然风干。清洗的目的在于将盐浴处理后试件上所携带的剩余盐液去除，提高表面光洁度。
具体地，本实施例中为防止各工序间钛合金氧化，采取煤油浸泡的方式存储。进行下一步工序前再将煤油洗净，并尽快开展下一道工序。
本实施例中滚磨光整加工对于原有的QPQ工艺来说，一方面代替了传统的抛光工序，使得抛光更均匀，抛光效果更好；另一方面作为QPQ工艺的前处理工序，改善钛合金盐浴渗氮难的问题，具体体现在硬度、耐磨性的提升效果上。
进一步，本实施例在不同的滚磨光整工艺参数下得到的试件性能是不同的。针对不同大小的待处理试件，应采用适当的滚磨光整参数，寻求得到目标性能的最佳工艺参数。
本实施例将滚磨光整加工和QPQ复合起来对钛合金进行表面处理，提高了钛合金的表面硬度及耐磨性，对工件产生的变形小，对环境影响小，且工艺简单，成本低，适于工业化大批量生产，与现有传统方法相比有很大优势。
对比例1：
S1：使用立式离心滚磨光整设备，采用材质为白陶瓷、形状为3*3斜三角的滚抛磨块，磨块填充量为70%，磨液由HYF滚抛磨液及水配置，滚磨光整时转速为350r/min，加工时间为30min。加工后粗糙度Ra=0.23μm。
S2：抛光结束后使用超声清洗仪搭配丙酮、酒精、去离子水依次各清洗10min。
S3：采用580℃，4h，CNO-浓度35%的盐浴渗氮参数。400℃，20min的盐浴渗氧参数进行QPQ处理。
S4：前道工序处理后将试件第一时间过冷水爆掉表面残留的氧化盐，然后在80℃的热水中保存10min后取出自然风干。将处理后的钛合金试件记为对比样1。
对比例2：
S1：使用立式离心滚磨光整设备，采用材质为SiC、形状为3*3斜三角的滚抛磨块，磨块填充量为70%，磨液由HYF滚抛磨液及水配置，滚磨光整时转速为350r/min，加工时间为30min。加工后粗糙度Ra=0.23μm。
S2：抛光结束后使用超声清洗仪搭配丙酮、酒精、去离子水依次各清洗10min。
S3：采用580℃，4h，CNO-浓度35%的盐浴渗氮参数。400℃，20min的盐浴渗氧参数进行QPQ处理。
S4：前道工序处理后将试件第一时间过冷水爆掉表面残留的氧化盐，然后在80℃的热水中保存10min后取出自然风干。将处理后的钛合金试件记为对比样2。
对比例3：
S1：使用立式离心滚磨光整设备，采用材质为SiC、形状为3*3斜三角的滚抛磨块，磨块填充量为80%，磨液由HYF滚抛磨液及水配置，滚磨光整时转速为350r/min，加工时间为20min。加工后粗糙度Ra=0.32μm。
S2：抛光结束后使用超声清洗仪搭配丙酮、酒精、去离子水依次各清洗10min。
S3：采用580℃，4h，CNO-浓度35%的盐浴渗氮参数进行处理。
S4：前道工序处理后将试件第一时间过冷水爆掉表面残留的盐，然后在80℃的热水中保存10min后取出自然风干。将处理后的钛合金试件记为对比样3。
对比例4：
S1：使用立式离心滚磨光整设备，采用材质为SiC、形状为3*3斜三角的滚抛磨块，磨块填充量为80%，磨液由HYF滚抛磨液及水配置，滚磨光整时转速为350r/min，加工时间为30min。加工后粗糙度Ra=0.23μm。
S2：抛光结束后使用超声清洗仪搭配丙酮、酒精、去离子水依次各清洗10min。
S3：采用580℃，4h，CNO-浓度35%的盐浴渗氮参数进行处理。
S4：前道工序处理后将试件第一时间过冷水爆掉表面残留的盐，然后在80℃的热水中保存10min后取出自然风干。将处理后的钛合金试件记为对比样4。
对比例5：
S1：使用金相抛光工序，用400#、800#、1000#、1500#、直到3000#的水砂纸打磨试件到表面平整且无明显划痕后使用金相抛光机抛光。抛光时添加金刚石抛光膏以达到镜面效果。
S2：使用超声清洗仪搭配丙酮、酒精、去离子水依次各清洗10min。
S3：采用580℃，4h，CNO-浓度35%的盐浴渗氮参数。400℃，20min的盐浴渗氧参数进行QPQ处理。
S4：前道工序处理后将试件第一时间过冷水爆掉表面残留的氧化盐，然后在80℃的热水中保存10min后取出自然风干。将处理后的钛合金试件记为对比样5。
上述几个实施例中所使用的钛合金为同一具有氧化层的钛板上切下的大小相等的样品，且铣削参数皆相同。
进一步地，对未处理试样及对比样1~5的硬度使用维氏硬度仪进行检测，结果如表1所示。由表1看出，对比样1~4的表面硬度均高于对比样5，即证明本实施例将滚磨光整与QPQ处理协同起来可以得到优于传统QPQ处理的钛合金表面硬度。对比样3与对比样4未经过盐浴渗氧处理，且区别在于滚磨时间长短所导致的粗糙度不同。经比较可以看出滚磨后粗糙度值更低的试件在相同渗氮处理后其硬度提高更显著。
表1
进一步地，对以上对比样1~5的耐磨性使用RLT-2M往复式摩擦磨损试验机进行检测。试验过程中各参数为：载荷2N，频率1Hz，环块转速600r/min，运行长度5mm，试验时间30min。耐磨性能使用公式（1）计算磨损率评价。
……（1）
式中：为磨损率，mm3/（N•m）；V为磨损体积，mm3；F为加载力，N；S为总的磨损距离，m。
将参数带入式（2）可简化为：
……（2）
经计算，未处理试样及对比样1~5的磨损率如表2所示。由表2看出，对比样1~4的磨损率均小于试样5，即证明本实施例将滚磨光整与QPQ处理协同起来可以得到耐磨性优于传统QPQ处理的钛合金。比较对比样3与对比样4，可以看出滚磨后粗糙度值更低的试件在相同渗氮处理后其耐磨性提高更显著。
表2
区别于现有技术的情况，本实施例提供了一种滚磨光整协同QPQ处理提高钛合金表面硬度和耐磨性的工艺，该工艺通过加入滚磨光整加工工艺去除了表面氧化皮并改善了当前钛合金盐浴渗氮困难的问题，提高了整体工艺处理后的钛合金耐磨性，且该方法成本低、效率高，适用于复杂结构及大批量工件加工。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对钛合金试件进行表面滚磨光整加工和表面清洁度处理；
将处理后的试件在580℃，4h的条件下进行盐浴氮化，之后在400℃，20min的条件下进行盐浴氧化；
将盐浴氧化后的试件进行清洗干燥。
2.根据权利要求1所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
进行表面滚磨光整加工过程包括：将试件、滚抛磨块、磨液放置于滚磨光整容器中，进行20~30min的滚磨光整。
3.根据权利要求2所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
所述滚磨光整加工根据零件结构材料的不同选择对应的加工工艺，所述加工工艺至少包括离心式、振动式、主轴式以及往复式。
4.根据权利要求2所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
所述试件放置位置基于加工工艺选择自由随流或者固定约束在滚磨光整几何约束容器中。
5.根据权利要求1所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
进行表面清洗的处理过程包括：将滚磨光整加工后的试件按照丙酮、酒精、去离子水的顺序依次各清洗10min，去除表面油污。
6.根据权利要求1所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
进行盐浴氮化的氧化炉中氮化盐的CNO-浓度为34%~35%。
7.根据权利要求1所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
进行盐浴氮化和盐浴氧化时温度的上下浮动均不超过10℃。
8.根据权利要求1所述的提高钛合金零件耐磨性的方法，其特征在于，
进行清洗干燥的过程包括：将盐浴氧化后的试件先置于冷水中爆去表面余盐，然后进行超声清洗，最后进行试件干燥。
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