鈦表面硬化的主要方法

表面硬化的目的是提高耐磨性，并消除在摩擦條件下工作的零件發生相互黏附的危險性。在硬度提高的同時，有可能耐蝕性能及疲勞強度也有所提高。這里首先關注表面硬度的提高，關注工藝本身及其對表面硬度提高的影響。鈦合金滲碳在表面上生成TiC相，具有非常高的硬度。TiC層與基體的結合力很差，妨礙實際使用。鈦表面滲硼生成，相，硬度也很高。

據文航報道，將酸洗后的鈦零件包理在粉和A,0,粉各半的混合粉末（其中加有0.75%-1.0%N,F·HF)中，在1010℃保溫48h,即可生成TB,層。在上述條件下，該涂層的厚度依合金不同而異，工業純鈦上生成的涂層厚度為25um,TC4合金上形成厚度為20μm,硬度在HV2800~3450的范圍。滲硼的溫度要求高，這使其應用受到一定限制。如果先在鈦上電鍍鐵，之后進行硼化，可以降低硼化溫度到870℃,鍍層厚度可達40μm,硬度可到HV2300.

表面氮化（滲氮）處理
在鈦的表面硬化處理中，氮是一種良好的硬化劑。在經過表面氮化處理后，鈦的表面形成了氮化鈦層。氮化鈦是一種間隙化合物，具有高熔點和高硬度。堅硬耐蝕的表面氮化鈦層，使得經氮化處理后的各種鈦制件在化工、電鍍、洗印、電子、冶金等行業中具有推廣應用的意義。此外，氮化鈦層的金黃色光澤也起到了裝飾作用。
已經報道的鈦的氮化方法有氣體滲氮、離子滲氮、離子注入、激光氮化、電解質溶液等離子氮化。氣體滲氮是最先發展起來的工藝，它是將鈦合金零件置于800~1000℃的含氮介質中進行氮化（爐內充滿氮氣，保溫十幾個小時至數十個小時）。由于鈦吸收氮氣，氮化時也可以在高溫爐內直接通入氮氣。
氮化后，零件上可生成0.1~0.15mm的氮化層。氮化層通常由TIN(8相）、Ti2N(y相）和氮在α-Ti中的固溶體a-Ti(N)三相組成。隨著氮化溫度的升高，時間的延長，TiN(8相）含量增加，T2N(y相）、a-Ti(N)含量減少。在氮和鈦開始反應時，首先形成氮在鈦中的固溶體，隨著濃度的增加，依次形成Ti2N和TIN,TIN和Ti3N各自的相對含量隨溫度和時間的改變有很大變化，但其感量變化不大。若把TiN、Ti2N和a-Ti(N)三相的含量關系視為厚度關系，則可認為：當溫度較低，時間較短時，TIN層較薄，而Ti,N層較厚；隨著溫度的升高、時間的延長，氨通過TIN層繼續擴散，TIN層厚度增加，Ti2N層厚度相對減小。TIN和Ti2N層的總厚度雖向基體有所擴展，但變化不大。由于8相性脆，會導致合金的韌性降低，所以滲氮時間和溫度條件應掌握在形成8相分布在y相中的結構最為理想。
欲進行鈦的氮化，采用純氮氣作氮化源時，對氮氣的純度要求較高，通常采用99.9%以上的高純氮氣，否則由于微量氧氣會加速鈦合金表面的氧化反應，因此會使氮化反應難以進行。此外，氮化前需要對系統除氧，保證設備始終處于真空狀態，否則即使爐內的氮氣純度能夠保證，也可能會因設備的輕微泄漏造成工件的不同部分發生不同程度的氧化、工件表面有輕微紫色或者發出火花。如果在氮化氣體中添加一定量的氫，由于氫離子具有還原作用，鈦表面的氧化膜難以穩定存在，因而氮化反應易于進行。雖然氫在氮化過程中起著良好的保護作用，但是也存在一定問題，即在氮化后，鈦材試樣中氫含量增加，存在著氫脆的危險。用氨進行氮化時，由氨分解出來的氫是一個活性基，它既能去除鈦材表面原有的氧化膜，又能阻止氮化過程中新的氧化反應，有明顯的還原作用。在氫的作用下，工件表面一直保持在無污染的活性狀態，易于氮化。工作實踐表明，使用氨氮混合氣體進行氮化，當氫的質量分數小于0.015%時，鈦材仍保持良好的塑性；而使用氮氫混合氣體進
行氮化，當鈦材中氫的質量分數達到0.012%時，就會發生氫脆。鈦及鈦合金經氮化后，表面硬度成倍提高。例如，工業純鈦的硬度一般不超過HV225,氮化后表面硬度可達HV800~1000;兩相鈦合金TC4未氮化時硬度約為HV380~400,氮化后硬度可達
HV1385~1670.
氮化后的硬度隨著溫度、氮化時間以及氮氣壓力的改變而改變。隨著氮化溫度升高，時間延長，表面硬度增加。在1000℃氨化，試樣表面出現凸浮，影響使用，應予避免。在相同氮氣壓力下（比如115~12kPa),低于1000℃時，在4h前，表面硬度隨時間的延長急劇升高；4~8h以內變化趨于平緩，8h后；硬度基本變化不大（見圖3-7).

氮化層硬度分布具有一個顯著特征，即在表層60μm之內，硬度從最大值急劇下降，隨后達到一個平穩硬度區域。氮化層硬度測量如圖3-8所示，圖中所列是兩種不同工藝制備的鈦合金，分

別是粉末燒結成形（P)和熔煉加工成形（M).在相同的溫度和氮氣壓力條件下，兩種工藝試樣的表層硬度相當，但內層硬度差異顯著，粉末試樣具有明顯的內層氮化而使硬度增大的效果。這與粉未試樣內部具有較多的孔隙相關。由此也可對鈦合金氣體氮化的過程和機理有進一步的認識。試樣溫度、氮氣壓力和流量、氮化時間等均對氮化后鈦表面硬度構成一定的影響。

其他滲氮方法簡介
通過氣體氮化工藝，氮化質量和效率都不能令人滿意，因此大有被離子氮化取代的趨勢。離子氮化在離子氮化爐中進行。它是將工件放在充有幾百帕氮氣或氨氣的爐子中，在工件與爐殼之間加上電壓，使兩者之間發生輝光放電，氮氣電離成氮離子，在電場中被加速，轟擊工件表面，并與表層的鈦發生反應，形成TiN相；通過連續轟擊，使得氮離子或氮分子不斷地向內部擴散，氮化厚度不斷得到增加。通過控制輝光放電的功率來控制工件的溫度，從而也就控制著氮化速度和氮化層的厚度。鈦合金離子氮化工藝見表3-16.離子氮化工藝氮化層的硬度分布如圖3-9所示。 

激光表面氮化應用于鈦合金上，也在文獻中有所報道。工作者使用二氧化碳激光器連續或者脈沖激射鈦合金表面，使得表面迅速熔化并與氮反應形成TiN和Ti2N相。在激光處理過程中，鈦材受到氮氣保護，使其避免受到氧化。也可以把鈦工件放到液氮中進行激光表面合金化。同樣，氮化層的厚度以及硬度，受到表面激光處理形成的局部溫度高低的影響，直接取決于激光照射的功率密度。
激光表面氮化的氮化層厚度通常可達0.5mm,硬度可達HV1400.很明顯，激光表面氮化厚度大于其他氮化工藝。

由于是表面合金化，不會影響到基體合金的形狀和力學性能。

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