鈦表面硬化的主要方法

表面硬化的目的是提高耐磨性，并消除在摩擦條件下工作的零件發(fā)生相互黏附的危險(xiǎn)性。在硬度提高的同時(shí)，有可能耐蝕性能及疲勞強(qiáng)度也有所提高。這里首先關(guān)注表面硬度的提高，關(guān)注工藝本身及其對(duì)表面硬度提高的影響。鈦合金滲碳在表面上生成TiC相，具有非常高的硬度。TiC層與基體的結(jié)合力很差，妨礙實(shí)際使用。鈦表面滲硼生成，相，硬度也很高。

據(jù)文航報(bào)道，將酸洗后的鈦零件包理在粉和A,0,粉各半的混合粉末（其中加有0.75%-1.0%N,F·HF)中，在1010℃保溫48h,即可生成TB,層。在上述條件下，該涂層的厚度依合金不同而異，工業(yè)純鈦上生成的涂層厚度為25um,TC4合金上形成厚度為20μm,硬度在HV2800~3450的范圍。滲硼的溫度要求高，這使其應(yīng)用受到一定限制。如果先在鈦上電鍍鐵，之后進(jìn)行硼化，可以降低硼化溫度到870℃,鍍層厚度可達(dá)40μm,硬度可到HV2300.

表面氮化（滲氮）處理
在鈦的表面硬化處理中，氮是一種良好的硬化劑。在經(jīng)過(guò)表面氮化處理后，鈦的表面形成了氮化鈦層。氮化鈦是一種間隙化合物，具有高熔點(diǎn)和高硬度。堅(jiān)硬耐蝕的表面氮化鈦層，使得經(jīng)氮化處理后的各種鈦制件在化工、電鍍、洗印、電子、冶金等行業(yè)中具有推廣應(yīng)用的意義。此外，氮化鈦層的金黃色光澤也起到了裝飾作用。
已經(jīng)報(bào)道的鈦的氮化方法有氣體滲氮、離子滲氮、離子注入、激光氮化、電解質(zhì)溶液等離子氮化。氣體滲氮是最先發(fā)展起來(lái)的工藝，它是將鈦合金零件置于800~1000℃的含氮介質(zhì)中進(jìn)行氮化（爐內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)?，保溫十幾個(gè)小時(shí)至數(shù)十個(gè)小時(shí)）。由于鈦吸收氮?dú)?，氮化時(shí)也可以在高溫爐內(nèi)直接通入氮?dú)狻?br/>氮化后，零件上可生成0.1~0.15mm的氮化層。氮化層通常由TIN(8相）、Ti2N(y相）和氮在α-Ti中的固溶體a-Ti(N)三相組成。隨著氮化溫度的升高，時(shí)間的延長(zhǎng)，TiN(8相）含量增加，T2N(y相）、a-Ti(N)含量減少。在氮和鈦開(kāi)始反應(yīng)時(shí)，首先形成氮在鈦中的固溶體，隨著濃度的增加，依次形成Ti2N和TIN,TIN和Ti3N各自的相對(duì)含量隨溫度和時(shí)間的改變有很大變化，但其感量變化不大。若把TiN、Ti2N和a-Ti(N)三相的含量關(guān)系視為厚度關(guān)系，則可認(rèn)為：當(dāng)溫度較低，時(shí)間較短時(shí)，TIN層較薄，而Ti,N層較厚；隨著溫度的升高、時(shí)間的延長(zhǎng)，氨通過(guò)TIN層繼續(xù)擴(kuò)散，TIN層厚度增加，Ti2N層厚度相對(duì)減小。TIN和Ti2N層的總厚度雖向基體有所擴(kuò)展，但變化不大。由于8相性脆，會(huì)導(dǎo)致合金的韌性降低，所以滲氮時(shí)間和溫度條件應(yīng)掌握在形成8相分布在y相中的結(jié)構(gòu)最為理想。
欲進(jìn)行鈦的氮化，采用純氮?dú)庾鞯磿r(shí)，對(duì)氮?dú)獾募兌纫筝^高，通常采用99.9%以上的高純氮?dú)?，否則由于微量氧氣會(huì)加速鈦合金表面的氧化反應(yīng)，因此會(huì)使氮化反應(yīng)難以進(jìn)行。此外，氮化前需要對(duì)系統(tǒng)除氧，保證設(shè)備始終處于真空狀態(tài)，否則即使?fàn)t內(nèi)的氮?dú)饧兌饶軌虮ＷC，也可能會(huì)因設(shè)備的輕微泄漏造成工件的不同部分發(fā)生不同程度的氧化、工件表面有輕微紫色或者發(fā)出火花。如果在氮化氣體中添加一定量的氫，由于氫離子具有還原作用，鈦表面的氧化膜難以穩(wěn)定存在，因而氮化反應(yīng)易于進(jìn)行。雖然氫在氮化過(guò)程中起著良好的保護(hù)作用，但是也存在一定問(wèn)題，即在氮化后，鈦材試樣中氫含量增加，存在著氫脆的危險(xiǎn)。用氨進(jìn)行氮化時(shí)，由氨分解出來(lái)的氫是一個(gè)活性基，它既能去除鈦材表面原有的氧化膜，又能阻止氮化過(guò)程中新的氧化反應(yīng)，有明顯的還原作用。在氫的作用下，工件表面一直保持在無(wú)污染的活性狀態(tài)，易于氮化。工作實(shí)踐表明，使用氨氮混合氣體進(jìn)行氮化，當(dāng)氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.015%時(shí)，鈦材仍保持良好的塑性；而使用氮?dú)浠旌蠚怏w進(jìn)
行氮化，當(dāng)鈦材中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.012%時(shí)，就會(huì)發(fā)生氫脆。鈦及鈦合金經(jīng)氮化后，表面硬度成倍提高。例如，工業(yè)純鈦的硬度一般不超過(guò)HV225,氮化后表面硬度可達(dá)HV800~1000;兩相鈦合金TC4未氮化時(shí)硬度約為HV380~400,氮化后硬度可達(dá)
HV1385~1670.
氮化后的硬度隨著溫度、氮化時(shí)間以及氮?dú)鈮毫Φ母淖兌淖?。隨著氮化溫度升高，時(shí)間延長(zhǎng)，表面硬度增加。在1000℃氨化，試樣表面出現(xiàn)凸浮，影響使用，應(yīng)予避免。在相同氮?dú)鈮毫ο拢ū热?15~12kPa),低于1000℃時(shí)，在4h前，表面硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)急劇升高；4~8h以?xún)?nèi)變化趨于平緩，8h后；硬度基本變化不大（見(jiàn)圖3-7).

氮化層硬度分布具有一個(gè)顯著特征，即在表層60μm之內(nèi)，硬度從最大值急劇下降，隨后達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)硬度區(qū)域。氮化層硬度測(cè)量如圖3-8所示，圖中所列是兩種不同工藝制備的鈦合金，分

別是粉末燒結(jié)成形（P)和熔煉加工成形（M).在相同的溫度和氮?dú)鈮毫l件下，兩種工藝試樣的表層硬度相當(dāng)，但內(nèi)層硬度差異顯著，粉末試樣具有明顯的內(nèi)層氮化而使硬度增大的效果。這與粉未試樣內(nèi)部具有較多的孔隙相關(guān)。由此也可對(duì)鈦合金氣體氮化的過(guò)程和機(jī)理有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。試樣溫度、氮?dú)鈮毫土髁?、氮化時(shí)間等均對(duì)氮化后鈦表面硬度構(gòu)成一定的影響。

其他滲氮方法簡(jiǎn)介
通過(guò)氣體氮化工藝，氮化質(zhì)量和效率都不能令人滿(mǎn)意，因此大有被離子氮化取代的趨勢(shì)。離子氮化在離子氮化爐中進(jìn)行。它是將工件放在充有幾百帕氮?dú)饣虬睔獾臓t子中，在工件與爐殼之間加上電壓，使兩者之間發(fā)生輝光放電，氮?dú)怆婋x成氮離子，在電場(chǎng)中被加速，轟擊工件表面，并與表層的鈦發(fā)生反應(yīng)，形成TiN相；通過(guò)連續(xù)轟擊，使得氮離子或氮分子不斷地向內(nèi)部擴(kuò)散，氮化厚度不斷得到增加。通過(guò)控制輝光放電的功率來(lái)控制工件的溫度，從而也就控制著氮化速度和氮化層的厚度。鈦合金離子氮化工藝見(jiàn)表3-16.離子氮化工藝氮化層的硬度分布如圖3-9所示。 

激光表面氮化應(yīng)用于鈦合金上，也在文獻(xiàn)中有所報(bào)道。工作者使用二氧化碳激光器連續(xù)或者脈沖激射鈦合金表面，使得表面迅速熔化并與氮反應(yīng)形成TiN和Ti2N相。在激光處理過(guò)程中，鈦材受到氮?dú)獗Ｗo(hù)，使其避免受到氧化。也可以把鈦工件放到液氮中進(jìn)行激光表面合金化。同樣，氮化層的厚度以及硬度，受到表面激光處理形成的局部溫度高低的影響，直接取決于激光照射的功率密度。
激光表面氮化的氮化層厚度通?？蛇_(dá)0.5mm,硬度可達(dá)HV1400.很明顯，激光表面氮化厚度大于其他氮化工藝。

由于是表面合金化，不會(huì)影響到基體合金的形狀和力學(xué)性能。

億沐鑫新材料公司產(chǎn)品分類(lèi)：鈦棒、鈦管、鈦板、鈦陽(yáng)極、鈦箔鈦帶、鈦法蘭、鈦絲、鈦靶材、鈦設(shè)備、鈦餅鈦環(huán)、鈦標(biāo)準(zhǔn)件、鈦加工件