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如何提高鈦合金的硬度和耐磨性

合金表面處理技術。從以熱滲擴、電鍍、真空鍍膜等為代表的傳統表面強化、耐磨處理技術,發展到現階段以等離子滲、離子束、電子束、激光束的應用為標志的現代表面處理技術,如表面氮化(氣體氮化、等離子氮化)、表面滲元素合金化、激光熔覆等。目前,鈦及鈦合金表面強化技術正朝著多種表面技術綜合應用以及多層復合膜層的研究制備方向發展。

鈦合金滲碳在表面上生成TiC相,具有非常髙的硬度。但是TiC層與基體的結合力很差,妨礙實際使用。溫度過高會使碳化鈦晶粒長大速度加快:

1.燒結溫度。碳化鈦高鋼結硬質合金的最終燒結溫度一般取1420℃較合適。燒結溫度不宜過高。甚至使粘結相變成液相金屬流失,從而使硬質相發生鄰接、聚集并長大,形成碎裂源。這就是前面分析的硬質相晶粒之間的粘結相變少的原因。當然燒結溫度也不能過低,否則會使合金欠燒。特別是脫膠、還原和液相燒結的3個階段中。

2.燒結時的升溫速度。此類合金燒結時升溫加熱速度不宜快。要嚴格控制升溫速度和保溫時間。因為在低溫脫膠階段,壓坯釋放壓制應力和成形劑揮發的過程,若升溫速度快,則因成形劑來不及揮發而液化后變成蒸汽,使壓坯發生爆裂或微裂現象;900℃以上的還原階段,要讓壓坯有足夠的時間脫去所用原料粉末(如Mn2Fe中間合金)中的揮發物和氧;進入液相燒結階段時,也要放慢升溫速度才干使壓坯充分合金化。

鈦在高溫下會與氧,氮等氣體發生反應,引起硬化,高溫下(800-900度)進行氮化處理,使其表面維氏硬度高達700以上;通過堆焊,在氬氣中同入適量的氮氣或者氧氣,使其表面硬度可以提高2—3倍;通過離子電鍍,使其表面生成一層氮化鈦,厚度在5微米左右,表面維氏硬度竟然高達16000—20000;鍍鉻等。在滲氮時可能形成各種不同的區,如果氧含量不髙,形成由氮化鈦組成的外區,具有金黃色并且硬度為14000-17000MPa,可是這種氮化鈦層很傅因較低的氮化溫度時或者繼而進行髙溫加熱(退火)時,氮就完全溶解到金屬表面的鈦固溶體里去了,激化鈦層不再增加或者在某個熱處理工序中消失因此,在發現氮化鈦層時鈦固溶體層巳經溶解到氮中去了這層也具有高的硬度,但是芯部硬度降低。在采用氨氣進行滲氮時,由于滲透氫的作用而出現附加的組織變化。氮化鈦堅硬而導電氮化鈦的生成熱超過所有的氧化鈦。因此也必須注意,要在完全脫除氧的條件下進行滲氮處理。鈦同氮隨著時間按照拋物線規律進行表面反應。因此,滲氮速度隨著滲氮時間的增加而減低。因為氮在外氮化鈦層中的擴散速度小于下面的鈦固溶液體區的擴散速度,而不可能形成厚氮化層,氮或氨必須具有較髙的純度。因為氧不僅妨礙氮化層的形成,而且還能在較髙溫度條件下引起表面層除去氧化皮,水分的含量(濕度)必須最少達到這樣的程度,即使之達到的熔點。

鈦表面滲硼生成TiB2相,硬度也很高。據文獻報道,將酸洗后的鈦零件包埋在無定型硼粉和A1203粉各半的混合粉末(其中加有0.75%-1.0%的NH4F*HF)中,在1010度保溫1小時,即可生成TiB2層。在上述條件下,該涂層的厚度依合金不同而異,工業純鈦上生成的涂層厚度為25p,TC4鈦合金上形成厚度為20um,硬度在HV2800-3450的范圍。滲硼的溫度要求高,這使其應用受到一定限制。如果先在鈦板上電鍍鐵,之后進行硼化,可以降低硼化溫度到870度,鍍層厚度可達40um,硬度可到HV2300。由于鈦也與氮反應,因此必須用氬氣作為載體。假如用氧/氮混合氣體(空氣)作為氧源,那在氧的擴散溫度(約850℃)就會形成足夠的氮化物它會減小氧的擴散。為了優化氧擴散層的深度和分布,氧的濃度需足夠高,以產生最大擴散速率。但它不能高至形成一連續的表面氧化膜,據報道,它會阻擋擴散。

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生相互黏附的危險性。在硬度提高的同時,有可能耐蝕性能及疲勞強度也有所提高。這里首先關注表面硬度的提高,關注工藝本身及其對表面硬度提高的影響。表面硬化應在一壓力保護氣氛的爐子中進行并很好地控制,它可方便地改變處理結束時的氣體成分,以生成均勻的無氣孔金紅石層。其結果類似于TO工藝處理。這樣它以一步方式進行了復式處理,更不需如BDO/TO組合處理那樣的三步,從而顯著節能。此工藝僅用完全惰性氣體———氬氣和氧氣,因而十分環保,無毒氣,不會引起全球溫室效應。雖然工藝很好,但真空處理費用昂貴,且氧化/擴散二步處理中有明顯的控制問題。即使在真空中的擴散時間固定不變,第一步中形成氧化物含量的微小變化,也會引起其最后硬度分布的顯著不同。

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