[發明專利]一種鋁合金鑄造用鈦合金輻射桿的超聲滲氮防護方法

在審

• 申請號: 201710115969.7
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106835006A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 劉峙麟;張立華;劉哲;李曉謙;李瑞卿;蔣日鵬
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24;C23C8/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種鋁合金鑄造用鈦合金輻射桿的超聲滲氮防護方法，屬于鈦合金滲氮技術領域。

背景技術

在金屬熔體凝固過程中通過施加超聲外場來改變金屬凝固進程并對凝固組織進行調控是功率超聲處理技術的一項新的應用。通過超聲外場，達到細化晶粒、熔體凈化、弱化合金元素富集，改善溶質元素偏析、增大合金元素固溶度，改變二次相分布等效果。但在金屬熔體鑄造過程中，由于伴隨超聲外場所引起的空化效應以及高溫熔體自身的高溫擴散和化學腐蝕等一系列影響，造成輻射桿的壽命難以滿足生產要求，嚴重制約了超聲波在鑄造領域推廣。研究表明不同系列的鋼、鈦及鈦合金、鈮及鈮合金、鉬、鉻以及鉭，這些材料制成的輻射桿在進行超聲鑄造時都會被侵蝕，從而影響了超聲傳遞的穩定性，降低了超聲波的作用效果。因此，針對金屬熔體鑄造過程中，輻射桿在熔體中的抗腐蝕防護顯得尤為必要。

一般而言，通過表面處理，以達到改變材料表面的組織形態或產生一種新的化學層從而得到所需的性能要求。針對鋁熔體超聲鑄造過程中鈦合金輻射桿的表面處理，可分為添加金屬元素與非金屬元素兩種表面處理方式。由于高溫熔體腐蝕以及空蝕的存在，導致鈦合金輻射桿材料會進入鋁熔體中，而大多數的金屬材料會對熔體產生二次污染，嚴重影響了產品質量，因此高溫熔體鑄造過程中的抗空蝕材料一般考慮添加非金屬元素的表面處理方式。碳、氮作為常見的非金屬元素，其成本低廉且其方法簡單實用，研究發現經滲碳、氮處理后，碳、氮會與材料表面形成一個碳、氮化物滲層，該滲層能顯著提高材料表面硬度與耐磨性。而滲氮處理較滲碳處理而言，其在鋁熔體中抗腐蝕性能更強。目前常見的滲氮方法包括等離子滲氮、激光滲氮、氣體滲氮等。其中又以等離子滲氮、激光滲氮都具有滲氮速度塊，節約能源、等優點，但激光滲氮對工件熱變形影響較大，導致會改變工件的初始尺寸，此外由于鈦合金表面與氮氣的活化均需要較高的溫度，常規的等離子滲氮雖然能處理大型鋼性工件但是不能處理大型的鈦合金，因此針對鋁熔體超聲鑄造用鈦合金輻射桿，要考慮到超聲傳導以及空間分布，對鈦合金輻射桿尺寸大小具有嚴格要求，氣體滲氮雖然時間較長，但該工藝操作簡單且易處理大型工件，因此本發明在傳統的氣體滲氮工藝過程中輔助超聲能場使得待處理工件在高溫高壓氮氣爐內高頻振動下進行滲氮過程。用該方法來處理鈦合金輻射桿，高效且簡單實用，表面生成的硬質層更為致密，大幅提高滲氮后的表面材料性能。

發明內容

本發明的目的是為了克服原材料鈦合金輻射桿在鋁合金鑄造過程中壽命低，同時改進傳統氣體滲氮時間長、效率低等問題，本發明是通過以下技術方案實現：

一種鋁合金鑄造用鈦合金輻射桿的超聲滲氮防護方法，該方法包括鈦合金輻射桿、變幅桿、壓電陶瓷、超聲電源、真空燒結爐；所述鈦合金輻射桿、變幅桿、壓電陶瓷按順序連接成一個整體；所述變幅桿的振動零位與真空燒結爐通過法蘭盤固定在一起，并且采用高壓密封圈進行密封，其中輻射桿與變幅桿連接部分分布在爐內，而壓電陶瓷與變幅桿連接部分以及超聲電源系統分布在爐外。

先用研磨機將鈦合金輻射桿端面研磨，研磨砂紙精度為2000目，研磨后得到表面粗糙度約為0.25μm左右；將爐內空氣抽凈，然后再以10℃/min升溫至300℃，保溫30min，此過程是為了祛除爐內的水蒸氣等雜質；關閉抽氣裝置，開始沖入氮氣，直至其壓強達到正相壓0.08Mpa左右(保證有充足的氮源)；因TC4鈦合金相變溫度約為950℃左右，而氮氣化學性質比較穩定，在900℃與鈦合金反應并不明顯，滲層很薄；而在1100℃時由于相變，其微觀組織已經大幅度改變；特設置1000℃溫度線；然后以10℃/min升溫至1000℃，同時啟動超聲電源，使輻射桿在爐內產生高頻超聲振動，通過高溫保溫過程，使鈦合金與氮發生反應，生成TiN、Ti₂N等化合產物，形成硬質層；保溫5小時后關閉加熱裝置，隨爐冷卻，完成滲氮過程。

更進一步地，所述鋁合金鑄造過程中用鈦合金輻射桿也可以更換成其他用途的鈦合金桿。

更進一步地，所述變幅桿可設計為單個變幅桿也可分為一級變幅桿、二級變幅桿甚至二級以上，且多級變幅桿之間可采用整體設計也可采用螺紋連接。

更進一步地，所述真空燒結爐與變幅桿的固定安裝位可以是在爐門中間，也可以是爐體其他方便開孔的位置；將變幅桿的振動零位通過法蘭盤與爐體固定，且采用高壓密封圈進行密封。