[发明专利]一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法

说明书

技术领域

本发明属化学热处理领域，具体涉及一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法。 

背景技术

钛合金表面强化方法有：钛合金渗氧、钛合金表面阳极化处理、电火花加工等表面强化技术，这些方法只能使表面硬度达到HV500~HV600，只能满足与本体材料对磨的要求；而与本工艺方法制造的零件对磨副是高温轴承钢，其硬度高达HV800，采用上述方法制造的零件很快就会磨损，满足不了使用要求；国内有报道采用离子渗氮的方法，虽然硬度能够满足要求，但该方法渗氮剂采用通入氨或氮-氢混合气体，这些气体中的氢对于钛合金而言都是有害的，航空零件要求氢含量小于120ppm，因为吸入氢使钛合金零件产生氢脆，因此，渗氮过程中，不允许有氢的气氛存在。另外一种方法是化学沉积氮化钛，此方法能够满足硬度要求HV850以上，但只是在钛合金表面形成一层小于0.01mm 的硬化层，与基体机械结合，硬度陡降，在工作过程中容易剥落。 

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法，能够提高钛合金表面硬度和耐磨性，解决钛合金零件与高碳轴承零件对磨过程中啮合问题，可以代替轴承钢，由于钛合金的比重小，可以显著降低零件的重量，提高零件使用寿命，特别适合制造燃气涡轮发动机部件。 

本发明一种提高钛合金轴承座表面耐磨性的方法，按照以下步骤进行： 

将钛合金零件清洗干净后放入真空热处理炉，抽真空使得真空热处理炉的压强在0.13Pa以下，加热到850℃~950℃，通入100~300mmHg氮气，保温4~8h，使通入的气体与零件表面形成高硬度的氮化物，充氩气0.2MPa冷却到80℃以下出炉，获得深度0.02～0.10mm、表面硬度HV850～HV1300的硬化层，满足零件表面耐磨性要求。

所述的钛合金为Ti-5Al-2.5Sn。 

所述钛合金零件使用丙酮清洗。 

渗氮过程中的氮浓度：气体中氮含量最少时的渗氮可使耐磨性最高，耐磨性最差时在纯氮气氛中。随混合气体中氮含量的升高，耐磨性降低的原因是由于氮化物薄膜逐渐增长的阻碍性的影响，使扩散层厚度降低。高硬度(1700-2000Hv)及高脆性的氮化物薄膜在表面上不仅阻碍了基体充氮，而且当磨损断裂时，起到了磨料作用，加大了磨损性。因此，通入气体的压强决定了氮化层质量，本发明通入氮气压强为100~300mmHg之间。 

渗氮温度：温度是影响扩散速度的重要因素。温度越高，则扩散速度越大，渗层厚度也相应增加。但温度过高，就会超过钛合金的相变点(950-1002℃)，破坏基材原有的力学性能，这一点在生产实践中是至关重要的。本发明的渗氮温度为850℃~950℃。 

渗氮保温时间：在其它参数不变的情况下，随着时间的延长，渗层厚度也会增加。但当时间延长到一定值时，渗层增厚的速度减慢，为获得深度0.02～0.10mm、表面硬度HV850～HV1300的渗氮层，渗氮时间为4h~8h。 

加热及冷却方式：钛合金在加热过程中，对氧的亲和力比氮强，在氧和氮的气氛中首先被氧化，因此，在加热过程中要严格控制氧的含量。本发明采取的方法是在加热前，将真空工作压强抽至0.13Pa以下，然后加热，到达渗氮温度后通入氮气。 

钛合金具有高的比强度、优良的耐腐蚀性、良好的高温性能等，是新兴的结构和功能材料。但是，钛合金的普遍缺点就是硬度低、耐磨性能差。纯钛的硬度约为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。这样的硬度值在很多情况下不能满足实际生产应用的要求。为了进一步达到提高钛合金耐蚀性、耐磨性、抗微动磨损性、高温抗氧化性等目的，对钛合金进行表面渗氮处理是进一步扩大钛合金使用范围的有效途径。保证渗氮零件表面硬度和耐磨性，解决钛合金零件表面耐磨性问题。 

通过真空渗氮处理试验，发现该硬化层对钛合金零件表面强化作用明显，它适合用于要求较高的耐磨性的零件，特别适合于燃气涡轮发动机轴承座等零件的表面强化，经此方法强化的钛合金零件可以与高硬度的轴承钢对磨，由于硬度相近，因而不产生咬合现象，同时，在工作过程中不容易剥落，可以延长工作零件的使用寿命。与采用高温轴承钢制造该零件相比，可以显著降低发动机零件的重量。 

通过力学性能对比试验，渗氮层耐磨性对比试验，渗氮前后零件尺寸测量，找出渗氮过程对力学性能和耐磨性的影响及渗氮过程对零件尺寸的影响。