[发明专利]一种钛合金碳氮复合渗的表面处理方法

说明书

本发明公开了一种钛合金碳氮复合渗的表面处理方法，它包括交替间歇通入渗碳气体介质和渗氮气体介质，将渗碳处理和渗氮处理相结合的方法；它包括采用间隙式周期反复充气和抽气处理与渗碳渗氮处理相结合形成的渗碳或渗氮充气复合渗处理的方法。本发明将气体渗碳和气体氮化结合起来，弥补单独气体碳化带来的不足，这样在钛合金表面生成的为钛的氮化物，钛的碳化物以及钛的碳氮化物，更有利于提高其表面性能。采用间隙式周期反复充气和抽气使渗入元素在工件表面的吸附速度和反应速率得到有效提高。复合渗的介质为高纯乙炔气体或高纯乙炔+高纯氩气，能进一步提高钛合金表面性能并避免氢脆。

技术领域

本发明涉及一种钛合金低压真空渗碳复合渗氮的表面处理方法，属于钛合金表面改性技术领域。

背景技术

钛合金具有高的比强度、耐腐蚀性好、耐高温以及良好的生物相容性等优点，广泛应用于机械、能源、石油化工、航空航天和生物工程等领域。但钛合金表面硬度不高，耐磨性及耐疲劳性能差，极易和气体的金属材料发生粘着磨损等缺点，因而其使用范围受到了极大的限制。

在所有的合金元素中，氮对钛的硬度影响最大，钛的氮化物具有很高的硬度、优良的化学稳定性、低的摩擦系数、优异的生物兼容性及好的导电性等优点，在钛合金表面制备钛的氮化物改性层是提高其表面硬度，改善其耐磨性，延长其使用寿命，扩大其使用范围的有效措施。目前，主要采用磁控溅射、离子渗氮、激光气体氮化及气体渗氮方法在钛合金表面制备钛的氮化物改性层。磁控溅射技术可形成一定厚度的TiN膜层，提高硬度，改善耐磨性，但经磁控溅射法处理膜层和基体间存在明显界面，结合强度差，涂层薄，许多性能指标不是很理想。离子渗氮可明显提高钛合金的表面硬度及耐磨性，但离子渗氮不能对形状复杂的零件进行处理，且成本较高。激光渗氮形成的组织较细，渗氮层与基体结合紧密，但高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用，使熔覆层中产生极大的热应力，极易产生裂纹。同时，在激光快速熔凝的条件下，当熔池中的气体来不及逸出，容易形成气孔，激光处理的裂纹和气孔一直是阻碍该技术应用的难点，实际生产中也较少使用。气体渗氮简单易行，成本低廉，可以在钛合金表面形成氮化物硬质相，显著提高耐磨性能和腐蚀性能。但钛合金常规的气体渗氮随着氮化膜厚度的增加，氮和钛具有很强的亲和力，致密的氮化层将阻碍氮的深入，同时钛合金极易氧化，致密的氧化膜也将阻碍氮的向内扩散，因此现有的气体渗氮技术存在着氮化速度慢、渗层薄、渗层脆及处理时间过长等缺点。所以现有的钛合金表面气体渗氮技术还是不够理想，不能满足使用的需要。

钛合金经过渗碳处理后，可获得均匀的渗碳层，能够获得较深的渗碳层深度和较高的硬度。但通常情况下渗碳温度较高，零件容易发生变形，同时气氛中活性碳原子浓度较高，吸附在工件表面，并随着渗碳时间的延长，越靠近工件表面碳浓度越高，出现积碳现象，不仅影响了渗碳速度，还导致渗层深度内碳浓度分布不均匀，只能延长渗碳扩散时间或提高渗碳温度，其结果是工件淬火后时常出现碳化物和马氏体级别超差，获得的碳浓度梯度不理想，影响工件的使用性能。认为沉积在零件表面上的碳黑阻止活性碳原子的渗入,妨碍渗碳过程的进行,使渗层不均匀。附在炉罐壁上的碳黑降低其导热性,降低设备使用寿命等。

目前，钛合金单一的渗氮或渗碳的表面改性技术均存在一定的缺陷，对钛合金性能改善还不够理想，不能满足使用的需要。将渗氮和渗碳各自的优点结合起来，在TiN中加入C就会形成Ti（N，C）化合物，当各原子达到适当的化学计量比时，可得到硬度极高、耐高温和耐磨损都很好的Ti（C，N）化合物，研究开发钛合金表面碳氮多层复合梯度改性层具有深远的现实意义和广阔的发展前景。

发明内容

本发明的目的是克服传统意义上的钛合金单纯的渗氮或渗碳存在的缺陷，提供一种简单便捷、质量稳定、成本低、短周期的钛合金表面强化方法。

本发明是通过以下技术方法实现：

它包括交替间歇通入渗碳气体介质和渗氮气体介质，将渗碳处理和渗氮处理相结合的方法；它包括采用间隙式周期反复充气和抽气处理与渗碳渗氮处理相结合形成的渗碳或渗氮充气复合渗处理的方法。