[發明專利]一種鈦及鈦合金表面氮化方法

無效

• 申請號: 200910067130.6
• 申請日: 2009-06-17
• 公開（公告）號: CN101570845A
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 任振安;徐文曉;宣兆志;田力;王亞男;譚向虎
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 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任公司
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域：

本發明涉及一種鈦及鈦合金表面氮化技術，屬于金屬表面材料制備及金屬表面加工技術領域。

背景技術：

鈦及鈦合金具有高比強度和高耐蝕性等優異的特性，廣泛應用于航空航天、軍事、化學和生物醫學工程等領域，并不斷推廣應用于機械制造、車輛、石油化工等行業。但是，鈦及鈦合金的摩擦系數大，耐磨性較差，限制了在工程上的應用，因此，有必要改善鈦及鈦合金的耐磨性。TiN具有優異的力學性能，較強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。

制備氮化層的技術很多，例如物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)，這兩種方法多用于制備TiN薄膜，對設備的要求較高，操作復雜，成本高。

傳統的氣體滲氮是在氮氣或在氮氣-氫氣中加熱，使鈦及鈦合金表面形成Ti₂N及TiN等硬質相，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現的，氮離子被電場加速，撞擊工件，離子動能轉變為熱能，使工件溫度升高，同時通過離子沖擊時的濺蝕作用及擴散作用，使氮向工件表面內部擴散，達到氮化的目的。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之一。在激光氮化過程中，鈦基體直接參與反應，使制備的氮化層與基體結合較好，但激光設備昂貴，氮化成本高。

發明內容：

本發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是：采用氮等離子焰作為熱源和氮化反應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℃)下進行氮化。這種加工方法不需要復雜昂貴的設備，可以在大氣中現場操作，施工簡便靈活，可以對基體局部進行氮化，處理時間短(1-4min)。

本發明的上述目的可通過以下技術方案實現：

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行表面清理；

b)采用接觸或非接觸測溫儀器，監測在氮化處理過程中基體材料氮化處理部位表面溫度；

c)用等離子焊接設備，通入總流量約為15L/min的高純氮氣或N₂+Ar混合氣體作為離子氣產生氮等離子焰，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范圍內選擇，等離子噴嘴與工件表面距離根據監測溫度調節；

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熱電偶，并連接到測溫儀表上。

所述的測溫儀器可以采用紅外測溫儀進行非接觸測溫。

所述的等離子焊接設備采用等離子焊槍實現氮等離子焰，等離子噴嘴距離工件表面20-40mm，根據監測溫度調節該距離。

鈦及鈦合金基體經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。

本發明相對于現有技術具有以下優點和進步

本發明采用氮等離子焰作為熱源和Ti+N→TiN氮化反應中氮的來源，控制基體表面加熱溫度，在較高氮化溫度(1000-1150℃)下進行氮化。這種“氮等離子焰鈦及鈦合金表面氮化方法”與現有的氣體氮化、等離子氮化、激光氮化等方法相比，具有設備簡單，氮化處理時間短(1-4min)，可以在大氣中直接對工件進行局部氮化處理等優點。氮化層在基體表面“原位”生長，為冶金結合，硬度高、耐磨性好，氮化層厚度可以通過監測溫度和時間進行控制。

附圖說明：