[發(fā)明專利]一種鈦及鈦合金表面氮化方法無效
| 申請?zhí)枺?/td> | 200910067130.6 | 申請日: | 2009-06-17 |
| 公開(公告)號: | CN101570845A | 公開(公告)日: | 2009-11-04 |
| 發(fā)明(設(shè)計)人: | 任振安;徐文曉;宣兆志;田力;王亞男;譚向虎 | 申請(專利權(quán))人: | 吉林大學(xué) |
| 主分類號: | C23C8/36 | 分類號: | C23C8/36 |
| 代理公司: | 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 | 代理人: | 朱世林;王壽珍 |
| 地址: | 130012吉*** | 國省代碼: | 吉林;22 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關(guān)鍵詞: | 一種 鈦合金 表面 氮化 方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種鈦及鈦合金表面氮化技術(shù),屬于金屬表面材料制備及金屬表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度和高耐蝕性等優(yōu)異的特性,廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域,并不斷推廣應(yīng)用于機(jī)械制造、車輛、石油化工等行業(yè)。但是,鈦及鈦合金的摩擦系數(shù)大,耐磨性較差,限制了在工程上的應(yīng)用,因此,有必要改善鈦及鈦合金的耐磨性。TiN具有優(yōu)異的力學(xué)性能,較強(qiáng)的抗摩擦磨損及耐腐蝕性能,可以在鈦及鈦合金表面制備氮化層來改善其表面性能。
制備氮化層的技術(shù)很多,例如物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD),這兩種方法多用于制備TiN薄膜,對設(shè)備的要求較高,操作復(fù)雜,成本高。
傳統(tǒng)的氣體滲氮是在氮?dú)饣蛟诘獨(dú)?氫氣中加熱,使鈦及鈦合金表面形成Ti2N及TiN等硬質(zhì)相,從而提高其表面耐磨性。要求抽真空后充入氮化氣氛,升溫至800-970℃,保溫較長時間停止加熱而后冷卻。氣體滲氮的缺點(diǎn)是氮化速度慢(幾十小時)。等離子體滲氮是利用輝光放電來實(shí)現(xiàn)的,氮離子被電場加速,撞擊工件,離子動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽构ぜ囟壬撸瑫r通過離子沖擊時的濺蝕作用及擴(kuò)散作用,使氮向工件表面內(nèi)部擴(kuò)散,達(dá)到氮化的目的。等離子體滲氮的時間為普通氣體滲氮的1/3-1/5,滲氮溫度較低。對純鈦和鈦合金進(jìn)行等離子氮化處理,滲氮層由化合物層和過渡層組成,化合物層中包括Ti2N及TiN兩種氮化物,過渡層則是氮在α-Ti中的固溶體。等離子體滲氮工藝可以應(yīng)用于鐵基材料、鈦合金和鋁合金。
激光氮化是提高材料表面抗磨損耐腐蝕性能的新興氮化技術(shù)之一。在激光氮化過程中,鈦基體直接參與反應(yīng),使制備的氮化層與基體結(jié)合較好,但激光設(shè)備昂貴,氮化成本高。
發(fā)明內(nèi)容:
本發(fā)明涉及一種鈦及鈦合金表面氮化方法,目的是采用氮等離子焰在鈦及鈦合金基體上制備氮化表面層,解決鈦及鈦合金表面耐磨性差的問題。鈦及鈦合金氮等離子焰表面氮化法的特點(diǎn)是:采用氮等離子焰作為熱源和氮化反應(yīng)Ti+N→TiN中氮的來源,控制基體表面加熱溫度即氮化溫度,在較高溫度(1000-1150℃)下進(jìn)行氮化。這種加工方法不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備,可以在大氣中現(xiàn)場操作,施工簡便靈活,可以對基體局部進(jìn)行氮化,處理時間短(1-4min)。
本發(fā)明的上述目的可通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種鈦及鈦合金表面氮化方法,用純N2或N2+Ar混合氣體作為離子氣,用等離子焊接設(shè)備獲得氮等離子焰,在大氣中加熱鈦及鈦合金基體表面,控制氮化溫度(1000-1150℃)和時間(1-4min),在鈦及鈦合金基體表面局部制備氮化層,具體工藝步驟如下:
a)對鈦及鈦合金基體材料或工件需氮化處理的部位進(jìn)行表面清理;
b)采用接觸或非接觸測溫儀器,監(jiān)測在氮化處理過程中基體材料氮化處理部位表面溫度;
c)用等離子焊接設(shè)備,通入總流量約為15L/min的高純氮?dú)饣騈2+Ar混合氣體作為離子氣產(chǎn)生氮等離子焰,電流30-80A;
d)在大氣中用氮等離子焰加熱鈦及鈦合金基體表面,至氮化處理溫度1000-1150℃開始計時,按照基體或工件表面氮化處理要求,氮化處理時間在1-4min范圍內(nèi)選擇,等離子噴嘴與工件表面距離根據(jù)監(jiān)測溫度調(diào)節(jié);
e)撤出測溫儀器,完成氮化處理。
所述的測溫儀器采用在基體材料靠近氮化處理部位焊接測溫?zé)犭娕迹⑦B接到測溫儀表上。
所述的測溫儀器可以采用紅外測溫儀進(jìn)行非接觸測溫。
所述的等離子焊接設(shè)備采用等離子焊槍實(shí)現(xiàn)氮等離子焰,等離子噴嘴距離工件表面20-40mm,根據(jù)監(jiān)測溫度調(diào)節(jié)該距離。
鈦及鈦合金基體經(jīng)氮等離子焰表面氮化處理后,獲得厚度為5-18μm,表面顯微硬度為HV800-1400的氮化層。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)步
本發(fā)明采用氮等離子焰作為熱源和Ti+N→TiN氮化反應(yīng)中氮的來源,控制基體表面加熱溫度,在較高氮化溫度(1000-1150℃)下進(jìn)行氮化。這種“氮等離子焰鈦及鈦合金表面氮化方法”與現(xiàn)有的氣體氮化、等離子氮化、激光氮化等方法相比,具有設(shè)備簡單,氮化處理時間短(1-4min),可以在大氣中直接對工件進(jìn)行局部氮化處理等優(yōu)點(diǎn)。氮化層在基體表面“原位”生長,為冶金結(jié)合,硬度高、耐磨性好,氮化層厚度可以通過監(jiān)測溫度和時間進(jìn)行控制。
附圖說明:
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C23C 對金屬材料的鍍覆;用金屬材料對材料的鍍覆;表面擴(kuò)散法,化學(xué)轉(zhuǎn)化或置換法的金屬材料表面處理;真空蒸發(fā)法、濺射法、離子注入法或化學(xué)氣相沉積法的一般鍍覆
C23C8-00 金屬材料表面中僅滲入非金屬元素的固滲
C23C8-02 .被覆材料的預(yù)處理
C23C8-04 .局部表面的處理,例如使用掩蔽物的
C23C8-06 .使用氣體的
C23C8-40 .使用液體,例如鹽浴、懸浮液的
C23C8-60 .使用固體,例如粉末、膏劑的
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