一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法及裝置，本發明先將鈦合金試樣表面進行預處理后放入反應器罐內腔中，然后將反應器罐密封、檢漏后進行抽真空，同時對反應器罐進行加熱，使其內腔的溫度保持在700℃～1000℃，然后向反應器罐內腔中采用脈沖加氣的方式加入滲氮氣體介質（即采用通氣、關閉保持、抽氣、關閉保持又通氣的加氣方式反復周期性地加入滲氮氣體介質），使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質的壓力呈矩形脈沖式的變化,該矩形脈沖的周期范圍為10分鐘～200分鐘，其滲氮氣體介質的壓力變化保持在0MPa～0.050MPa的范圍。本發明不僅具有操作簡單、適合于批量生產的優點，而且還具有加工效率高、產品質量好和產品質量穩定等優點。
【專利說明】一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法及裝置，屬于鈦合金滲氮【技術領域】。
【背景技術】
[0002]由于鈦合金具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕性好和具有良好的低溫韌性和生物相容性等優點，因而被廣泛應用于國防、化工、能源、航空航天和生物工程等領域。但由于鈦合金表面硬度不高，因此其存在著耐磨損性及耐疲勞性差，易和許多材料發生粘著磨損等缺點。
[0003]表面改性技術是提高鈦合金硬度、耐磨性和耐疲勞性的有效辦法，從國內外的研究來看，鈦合金的表面改性技術大致經歷了從以電鍍、化學鍍、熱擴散、鍍膜為代表的傳統強化，到等離子體、離子束、電子束、激光等現代表面強化技術的發展歷程。電鍍形成的鍍層與基體的結合強度低，易導致鍍層開裂、剝落。氣相沉積CVD法一般要在較高的溫度(1000~1100°C )下進行，容易引起基體組織的結晶、再長大等變化，降低工件的強度和影響工件形狀尺寸，且成本高昂。PVD (目前廣泛采用的磁控濺射)法由于膜層和基體間存在明顯的界面，結合強度差，涂層薄。等離子噴涂后涂層表面較粗糙，因為噴涂速度高，噴涂不易控制，對噴涂復雜工件比較困難，易產生強紫外線污染，同時成本也較高。鈦合金表面激光強化得到的表面同樣很粗糙，光潔度差，且硬化層薄而不均勻，在融覆層和基體之間很容易引起開裂，融覆層內部也會出現氣孔和裂紋，且設備昂貴。離子滲氮表面硬度好，且硬度均勻，但是成本較高，效率低，限制了這種技術在實際生產中的應用。
[0004]氣體滲氮簡單易行，成本低廉，可以在鈦合金表面形成氮化物硬質相，顯著提高耐磨性能和腐蝕性能。但鈦合金常規的氣體滲氮隨著氮化膜厚度的增加，氮和鈦具有很強的親和力，致密的氮化層將阻礙氮的深入，同時鈦合金極易氧化，致密的氧化膜也將阻礙氮的向內擴散，因此現有的氣體滲氮`技術存在著氮化速度慢、滲層薄、滲層脆及處理時間過長等缺點。所以現有的鈦合金表面氣體滲氮技術還是不夠理想，不能滿足使用的需要。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是:提供一種操作簡單、質量穩定、適合于批量生產的鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法及裝置，以克服現有技術的不足。
[0006]本發明是這樣實現的:本發明的一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法為，對需要進行滲氮處理的鈦合金試樣或鈦合金工件按以下步驟進行處理:先將鈦合金試樣或鈦合金工件表面清理干凈后放入低壓脈沖真空滲氮裝置的反應器罐內腔中，然后將反應器罐密封、檢漏后進行抽真空，同時對反應器罐進行加熱，使其內腔的溫度保持在700°C~1000°C，然后向反應器罐內腔中采用脈沖加氣的方式加入滲氮氣體介質，即采用通氣、關閉保持、抽氣、關閉保持又通氣的加氣方式反復周期性地加入滲氮氣體介質，從而使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質壓力呈矩形脈沖方式變化，該矩形脈沖的周期范圍為10分鐘~200分鐘，同時使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質的壓力變化保持在OMPa~0.050MPa的范圍，其滲氮處理時間控制在2小時~72小時；待通過這種低壓脈沖真空滲氮處理的方式達到所需的時間后，可在保持反應器罐內腔中的滲氮氣體介質壓力或再對反應器罐內腔進行抽真空處理的基礎上，將反應器罐內腔的溫度降到300°C以下后即可取出鈦合金試樣或鈦合金工件，從而完成氮化處理。
[0007]上述的滲氮氣體介質為高純氮氣或高純氮氣+高純氬氣的混合氣體，在該混合氣中按摩爾比計，高純氮氣:高純IS氣=1:1~5:1。
[0008]上述的高純氮氣或高純氬氣的純度大于或等于99.9%。
[0009]根據上述方法構建的本發明的一種低壓脈沖真空滲氮裝置為，該裝置包括加熱爐和控制加熱爐溫度的智能程序控溫儀，在加熱爐的爐膛內設有反應器，反應器通過不銹鋼氣體管路分別與高純氬氣瓶和高純氮氣瓶連接，在反應器上通過排氣管道連接有真空泵，在加熱爐上安裝有用于測試加熱爐爐膛內溫度的熱電偶，并且熱電偶通過信號傳輸線與智能程序控溫儀連接，在高純氬氣瓶和高純氮氣瓶的出氣口的管道上都分別安裝有壓力表，并且在高純氬氣瓶的出氣口端裝有氬氣控制閥門、在高純氮氣瓶的出氣口端裝有氮氣控制閥門，在連接真空泵和反應器的排氣管道上安裝有真空規和排氣控制閥門。
[0010]上述反應器由反應器罐、反應器蓋和法蘭盤組成，反應器罐的罐體設置在加熱爐的爐膛內，法蘭盤固定在反應器罐的端口，反應器蓋通過連接螺栓連接在法蘭盤上并將反應器罐的端口封閉住，不銹鋼氣體管路和排氣管道分別連接在反應器蓋上并與反應器罐的內腔連通。
[0011]在上述反應器蓋與法蘭盤之間還墊有密封圈。
[0012]在上述的法蘭盤上設有能與冷卻水源連接的循環水冷卻管。
[0013]上述熱電偶設置在加熱爐爐膛中并靠近反應器罐堆放鈦合金試樣或鈦合金工件的位置處。
[0014]上述的氬氣控制閥門、氮氣控制閥門或排氣控制閥門為手動控制閥門或為電動控制閥門。
[0015]由于采用了上述技術方案，采用本發明，可在鈦合金工件的表面上形成一層致密、高硬度、耐腐蝕及耐磨損的氮化層，經試驗和實際試用證明，本發明具有以下的優點和點：1、真空滲氮技術是利用真空加熱時工件表面清潔、無氧化等特點進行滲氮，可防止內氧化、氫脆、疏松及黑色等組織缺陷。真空滲氮時，一方面，工件表面吸附的其他氣體和粘附物將被脫附排出爐外，減少了雜質與空穴的障礙，工件表面被凈化，活性增加，促進滲氮過程中活性氮原子的吸收，從而提高氮原子在工件表面的吸附能力及擴散速度；另一方面，可減少氣氛中的有害物質，有效地阻止其他氣體在工件表面形成吸附層，凈化爐內氣氛。
[0016]2、低壓下滲氮具有較高的氮勢，能產生較多的活性氮原子，低壓滲氮的氮勢比普通氣體滲氮提高約40%，爐壓處于低壓時，爐內氣氛均勻，可解決帶狹縫、小孔(微孔)、深孔、盲孔工件滲層不均勻的難題。脈沖滲氮技術是以周期反復間歇式通/抽氣方式進行滲氮。一方面，爐壓處于低壓時，狹縫及孔內的氣氛被強行排出，充氣時又強行加入新鮮氣體，氣體交換可達到任何與爐氣相通的部位。另一方面，脈沖周期交換爐氣，在工件表面的滯留氣薄層迅速遭到破壞，新氣氛產生新的活性原子，加快了活性原子在工件表面的碰撞，使滲入元素在工件表面的吸附速度和反應速率得到有效提高。
[0017]所以，本發明與現有技術相比，本發明不僅具有操作簡單、適合于批量生產的優點，而且還具有加工效率高、產品質量好和產品質量穩定等優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明裝置的結構示意圖；
圖2為圖1中反應器安裝在加熱爐上時的結構示意圖；
圖3為實施例1中鈦合金試樣與無脈沖真空氮化樣的表面XRD圖譜對比；
圖4為實施例2中鈦合金氮化層界面SEM形貌圖片；
圖5為實施例3中鈦合金與未經處理的鈦合金磨痕比較SEM形貌圖片(其中圖5(a)為未經處理的鈦合金磨痕，圖5(b)為經實施例3處理后的鈦合金磨痕)。
[0019]附圖標記說明:1、高純氬氣瓶；2、高純氮氣瓶；3、不銹鋼氣體管路；4、氬氣控制閥門；5、壓力表；6、氮氣控制閥門；7、智能程序控溫儀；8、熱電偶；9、加熱爐；10、反應器；11、真空規；12、排氣控制閥門；13、真空泵；14、排氣管道；15、鈦合金試樣或鈦合金工件。10-1、反應器罐；10-2、反應器蓋；10-3、連接螺栓；10-4、循環水冷卻管；10-5、密封圈；10_6、法蘭盤。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0021]在對常規的鈦合金試樣或鈦合金工件進行滲氮處理時，可采用本發明的一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法 進行處理，該方法是對需要進行滲氮處理的鈦合金試樣或鈦合金工件按以下步驟進行:先將鈦合金試樣或鈦合金工件表面清理干凈后放入低壓脈沖真空滲氮裝置的反應器罐內腔中，然后將反應器罐密封、檢漏后進行抽真空，同時對反應器罐進行加熱，使其內腔的溫度保持在700°C~1000°C，然后向反應器罐內腔中采用脈沖加氣的方式加入滲氮氣體介質，即采用通氣、關閉保持、抽氣、關閉保持又通氣的加氣方式反復周期性地加入滲氮氣體介質，從而使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質壓力呈矩形脈沖方式變化，該矩形脈沖的周期范圍為10分鐘~200分鐘，同時使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質的壓力變化保持在OMPa~0.050MPa的范圍，其滲氮處理時間控制在2小時~72小時；待通過這種低壓脈沖真空滲氮處理的方式達到所需的時間后，可在保持反應器罐內腔中的滲氮氣體介質壓力或再對反應器罐內腔進行抽真空處理的基礎上，將反應器罐內腔的溫度降到 300°C以下后即可取出鈦合金試樣或鈦合金工件，從而完成氮化處理。所用的滲氮氣體介質可采用現有技術中的高純氮氣或高純氮氣+高純氬氣的混合氣體，在該混合氣中按摩爾量配比計，各氣體所占的摩爾量配比為，高純氮氣:高純氬氣=1:1~5:1，所用的高純氮氣或高純氬氣的純度大于或等于99.9%。
[0022]根據上述方法構建的本發明的一種低壓脈沖真空滲氮裝置的結構示意圖如圖1和圖2所示，該裝置包括加熱爐9和控制加熱爐溫度的智能程序控溫儀7，其加熱爐9可采用現有技術中的中溫箱式電爐或管式電阻爐，其智能程序控溫儀7可直接采用現有技術中的成品，同時按傳統的自動控溫連接方式，將智能程序控溫儀7通過導線與加熱爐9和熱電偶8連接；在加熱爐9的爐膛內設直有反應器10，將反應器10通過不銹鋼氣體管路3分別與高純氬氣瓶I和高純氮氣瓶2連接，在反應器10上通過排氣管道14連接一個真空泵13，在加熱爐9上安裝有用于測試加熱爐9爐膛內溫度的熱電偶8，并且熱電偶8通過信號傳輸線與智能程序控溫儀7連接，在高純氬氣瓶I和高純氮氣瓶2的出氣口的管道上都分別安裝有壓力表5，并且在高純氬氣瓶I的出氣口端裝有氬氣控制閥門4、在高純氮氣瓶2的出氣口端裝有氮氣控制閥門6，在連接真空泵13和反應器10的排氣管道14上安裝有真空規11和排氣控制閥門12 ;其反應器10由反應器罐10-1、反應器蓋10-2和法蘭盤10_6組成，反應器罐10-1的罐體設置在加熱爐9的爐膛內，法蘭盤10-6固定在反應器罐10-1的端口，反應器蓋10-2通過連接螺栓10-3連接在法蘭盤10-6上并將反應器罐10-1的端口封閉住，不銹鋼氣體管路3和排氣管道14分別連接在反應器蓋10-2上并與反應器罐10-1的內腔連通；為了達到更好的密封效果，可在反應器蓋10-2與法蘭盤10-6之間墊一個耐高溫的密封圈10-5 ;為了便于對反應器罐10-1進行降溫控制，可在法蘭盤10-6上安裝一個能與冷卻水源連接的循環水冷卻管10-4 ;在安裝熱電偶8時，最好將其安裝在加熱爐9爐膛中并靠近反應器罐10-1堆放鈦合金試樣或鈦合金工件15的位置處；其所用的氬氣控制閥門4、氮氣控制閥門6或排氣控制閥門12可根據使用的需要直接采用現有技術中的手動控制閥門或為電動控制閥門，當采用電動控制閥門時，可采用現有技術中的單片機或PLC (程序控制裝置)，并按傳統的自動控制連接方式將單片機或PLC與電動控制閥門和智能程序控溫儀7連接后，即可實現全自動控制滲氮處理。
[0023]下面是采用本發明的幾個具體實施例:
實施例1:對TC4鈦合金試樣進行滲前預處理(試樣的整理，清理等)，將經過預處理的試樣或工件裝入反應器的反應器罐中，并將反應器罐密封、檢漏后抽真空，通過加熱爐將反應器加熱，其真空氮化工藝參數為--溫度800°C、滲氮介質為99.999%的高純N2、使反應器罐中的滲氮介質壓力在O MPa~0 .015MPa之間變化，即通過本發明的裝置先充高純N2氣30min后關閉氮氣控制閥門15 min (這時反應器罐中的高純N2壓力保持在0.015MPa)，然后迅速開啟排氣控制閥門進行抽真空30min (這時氮氣控制閥門保持關閉狀態)，然后關閉排氣控制閥門5 min后，再迅速開啟氮氣控制閥門向反應器罐中充高純N230min (這時排氣控制閥門保持關閉狀態);如此反復循環8次后，即可完成低壓脈沖真空滲氮處理階段，這時繼續保持反應器罐中的滲氮介質壓力為0.015MPa，并將反應器罐中的溫度降溫到300°C以下后取出鈦合金試樣，這樣即可完成整個氮化處理工序。圖3為本實施例中鈦合金試樣與無脈沖真空氮化樣的表面XRD圖譜對比。
[0024]實施例2:對TC4鈦合金試樣進行滲前預處理(試樣的整理，清理等)，將經過預處理的試樣或工件裝入反應器的反應器罐中，并將反應器罐密封、檢漏后抽真空，通過加熱爐將反應器加熱，其真空氮化工藝參數為:溫度850°C、滲氮介質為按摩爾比為1:1的高純N2+高純Ar、使反應器罐中的滲氮介質壓力在O MPa~0.015MPa之間變化，即通過本發明的裝置先充滲氮介質30min后同時關閉氮氣控制閥門和氬氣控制閥門15 min(這時反應器罐中的滲氮介質壓力保持在0.015MPa)，然后迅速開啟排氣控制閥門進行抽真空30min (這時氮氣控制閥門和氬氣控制閥門保持關閉狀態)，然后關閉排氣控制閥門5 min后，再迅速開啟氮氣控制閥門和氬氣控制閥門向反應器罐中充滲氮介質30min (這時排氣控制閥門保持關閉狀態);如此反復循環6次后，即可完成低壓脈沖真空滲氮處理階段，這時繼續保持反應器罐中的滲氮介質壓力為0.015MPa，并將反應器罐中的溫度降溫到300°C以下后取出鈦合金試樣,這樣即可完成整個氮化處理工序。將該試樣經過10%的HF腐蝕液腐蝕后觀察其滲層組織的微觀形貌，如圖4的SEM圖片所示。
[0025]實施例3:對TC4鈦合金試樣進行滲前預處理(試樣或工件的整理，清理等)，將經過預處理的試樣或工件裝入反應器的反應器罐中，并將反應器罐密封、檢漏后抽真空，通過加熱爐將反應器加熱，其真空氮化工藝參數為:溫度800°C、滲氮介質為99.999%高純N2、使反應器罐中的滲氮介質壓力在O MPa~0.020MPa之間變化，即通過本發明的裝置先充滲氮介質30min后關閉氮氣控制閥門15 min(這時反應器罐中的高純N2壓力保持在0.020MPa)，然后迅速開啟排氣控制閥門進行抽真空30min (這時氮氣控制閥門保持關閉狀態)，然后關閉排氣控制閥門5 min后，再迅速開啟氮氣控制閥門向反應器罐中充滲氮介質30min (這時排氣控制閥門保持關閉狀態)；如此反復循環8次后，即可完成低壓脈沖真空滲氮處理階段，這時繼續保持反應器罐中的滲氮介質壓力為0.020MPa,并將反應器罐中的溫度降溫到3000C以下后取出鈦合金試樣，這樣即可完成整個氮化處理工序。在盤銷式摩擦磨損試驗機上對采用本發明實施例3處理過的鈦合金試樣與未處理過的鈦合金試樣的基體材料進行30min的端面滑動摩擦試驗，通過掃描電鏡觀察摩擦面微觀形貌，圖片如圖5所示，其中圖5(a)為未經處理的鈦合金磨痕，圖5(b)為經本實施例3處理后的鈦合金磨痕。[0026]從上述實施例中的圖譜或圖片可知，通過本發明對鈦合金試樣或鈦合金工件處理后，可在其鈦合金工件的表面上形成一層致密、高硬度、耐腐蝕及耐磨損的氮化層。因此，通過本發明處理的工件的表面質量大大好于采用現有方式處理的工件表面質量。
【權利要求】
1.一種鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法，其特征在于，對需要進行滲氮處理的鈦合金試樣按以下步驟進行處理:先將鈦合金試樣表面清理干凈后放入低壓脈沖真空滲氮裝置的反應器罐內腔中，然后將反應器罐密封、檢漏后進行抽真空，同時對反應器罐進行加熱，使其內腔的溫度保持在700°C~1000°C，然后向反應器罐內腔中采用脈沖加氣的方式加入滲氮氣體介質，即采用通氣、關閉保持、抽氣、關閉保持又通氣的加氣方式反復周期性地加入滲氮氣體介質，從而使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質壓力呈矩形脈沖方式變化，該矩形脈沖的周期范圍為10分鐘~200分鐘，同時使反應器罐內腔中的滲氮氣體介質的壓力變化保持在OMPa~0.050MPa的范圍，其滲氮處理時間控制在2小時~72小時；待通過這種低壓脈沖真空滲氮處理的方式達到所需的時間后，可在保持反應器罐內腔中的滲氮氣體介質壓力或再對反應器罐內腔進行抽真空處理的基礎上，將反應器罐內腔的溫度降到300°C以下后即可取出鈦合金試樣，從而完成氮化處理。
2.根據權利要求1所述的鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法，其特征在于，所述的滲氮氣體介質為高純氮氣或高純氮氣+高純氬氣的混合氣體，在該混合氣中按摩爾比計，高純氮氣:聞純氣_1: I~5:1。
3.根據權利要求1所述的鈦合金低壓脈沖真空滲氮方法，其特征在于，所述的高純氮氣或高純氬氣的純度大于或等于99.9%。
4.一種低壓脈沖真空滲氮裝置，包括加熱爐(9)和控制加熱爐溫度的智能程序控溫儀(7)，其特征在于:在加熱爐(9)的爐膛內設有反應器(10)，反應器(10)通過不銹鋼氣體管路(3)分別與高純氬氣瓶(I)和高純氮氣瓶(2)連接，在反應器(10)上通過排氣管道(14)連接有真空泵(13)，在加熱爐(9)上安裝有用于測試加熱爐(9)爐膛內溫度的熱電偶(8)，并且熱電偶(8)通過信號傳輸線與智能程序控溫儀(7)連接，在高純氬氣瓶(I)和高純氮氣瓶(2 )的出氣口的管道上都分別安裝有壓力表(5)，并且在高純氬氣瓶(I)的出氣口端裝有氬氣控制閥門(4)、在高純氮氣瓶(2 )的出氣口端裝有氮氣控制閥門(6 )，在連接真空泵 (13)和反應器(10)的排氣管道(14)上安裝有真空規(11)和排氣控制閥門(12)。
5.根據權利要求4所述的低壓脈沖真空滲氮裝置，其特征在于:反應器(10)由反應器罐(10-1)、反應器蓋(10-2)和法蘭盤(10-6)組成，反應器罐(10-1)的罐體設置在加熱爐(9)的爐膛內，法蘭盤(10-6)固定在反應器罐(10-1)的端口，反應器蓋(10-2)通過連接螺栓(10-3)連接在法蘭盤(10-6)上并將反應器罐(10-1)的端口封閉住，不銹鋼氣體管路(3)和排氣管道(14)分別連接在反應器蓋(10-2)上并與反應器罐(10-1)的內腔連通。
6.根據權利要求5所述的低壓脈沖真空滲氮裝置，其特征在于:在反應器蓋(10-2)與法蘭盤(10-6)之間還墊有密封圈(10-5)。
7.根據權利要求5所述的低壓脈沖真空滲氮處理裝置，其特征在于:在法蘭盤(10-6)上設有能與冷卻水源連接的循環水冷卻管(10-4)。
8.根據權利要求5所述的低壓脈沖真空滲氮裝置，其特征在于:熱電偶(8)設置在加熱爐(9)爐膛中并靠近反應器罐(10-1)堆放鈦合金試樣或鈦合金工件(15)的位置處。
9.根據權利要求4所述的低壓脈沖真空滲氮裝置，其特征在于:所述的氬氣控制閥門(4)、氮氣控制閥門(6)或排氣控制閥門(12)為手動控制閥門或為電控閥門。
【文檔編號】C23C8/24GK103469147SQ201310439247
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】劉靜, 楊闖, 馬亞芹, 王亮, 楊宏霞, 段志光, 楊玲, 馮瑩 申請人:貴州師范大學