一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備及方法

2023-06-10 01:51:16

專利名稱：一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備及方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料表面處理技術領域，涉及一種鈦表面硬化的設備 及方法，特別是涉及一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備及方法。
背景技術：
鈦是活性金屬，與其它金屬相比，鈦的密度小，強度高，耐蝕性好， 但由於其導熱係數低，耐磨性差，摩擦時易產生燒接。為此，人們積極研 究鈦表面的硬化技術，以提高其耐磨性。鈦的表面硬化技術通常有溼法電
鍍，滲碳，放電加工，PVD， CVD,氣體氮化，堆焊等。在這些方法中， 以滲碳工藝提高耐磨性能最為顯著，但現有的滲碳工藝主要是等離子滲碳 和真空滲碳，碳原子是通過甲烷、乙炔等含有氫的氣體產生的，它們在生 成碳離子的同時也有氫離子生成。人們知道，在室溫下，氫在鈦中的固溶 極限只有20PPm,但在80r以上的溫度，氫在鈦中的擴散係數很大，固 溶度劇增。氫嚴重危害鈦的性能，直接表現為鈦的塑性、韌性及抗拉強度 大幅度下降。在工業中已經發生了多起鈦吸氫的重大事故，損失巨大。在 鈦表面無氫滲碳技術中，雖然實現了鈦表面的無氫滲碳，但由於碳與鈦反 應生成緻密的TiC,阻擋了碳原子的進一步滲入，因此，滲碳層淺。所以， 從目前的研究結果來看，主要存在以下的問題1、在鈦合金表面滲入氣 體元素的工藝中均存在能使鈦合金髮生氫脆的"H"元素，嚴重影響著鈦 合金基體的性能；2、在現有的無氫滲碳技術中，由於C能在鈦材表面形 成一層緻密的TiC層，阻擋著後續C的滲入，因此，滲層很淺，耐磨性能 提高有限。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種可提高鈦表面耐磨性 能，實現了鈦表面無氣硬化的鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備及方法。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是 一種鈦及鈦合金表面 氧碳共滲的設備，其特徵在於包括真空室，所述真空室上方設有進氣口和 壓力表，其下方設有泵組，發熱體位於真空室內。
一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的方法，其特徵在於該方法為將鈦件 和多孔純石墨預置於真空室中，真空室由泵組實施排氣，形成真空氣氛； 用置於真空室中的發熱體使鈦件加熱到700 1100"C,通過進氣口通入純二 氧化碳氣體，純二氧化碳氣體與多孔純石墨反應，生成的CO再與鈦件反 應，鈦件表面形成厚度為30 1000nm的氧碳化層。
所述純二氧化碳氣體壓力為0.1Pa 1000Pa;所述氧碳化層為鈦的碳化 物和氧化物。
本發明的理論依據為
在真空高溫條件下發生下列的反應，
co2+c- CO (1)
Ti+CO-- TiC+TiOx ( 2 )
即通入的高純C02氣體與預置於真空室中的碳在710匸以上就可反 應，生成CO， CO與高溫的Ti反應生成TiC和鈦的氧化物。
本發明基於在真空和高溫的條件下式(1)和式(2)的反應，實現在 鈥表面層的滲碳氧，在此基礎上，溫度的影響，使C和O原子不斷向鈦 基體的內部擴散，形成了更深層的硬化。在整個工藝過程中，不存在元素 H，實現了無氫硬化處理的目的。
本發明與現有技術相比具有以下優點本發明實現了在鈦合金表面形 成30-1000 ium的硬化層，硬化層的成分為鈦的碳化物和氧化物，硬度達 到700 HV1100，在工藝過程中不存在能使鈦發生氫脆的H元素，實現了 鈦表面無氫硬化。


圖1為本發明鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明。
如圖1所示，本發明一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備，包括真空 室3，所述真空室3上方設有進氣口 5和壓力表4，其下方設有泵組6，發
熱體2位於真空室3內。
如圖1所示，本發明一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的方法，該方法為 將鈦件1和多孔純石墨7預置於真空室3中，真空室3由泵組6實施排氣， 形成真空氣氛;用置於真空室3中的發熱體2使鈦件1加熱到700 1100'C, 通過進氣口 5通入壓力為0.1Pa 1000Pa的純二氧化碳氣體，純二氧化碳 氣體與多孔純石墨7反應，生成的CO再與鈦件l反應，鈦件l表面形成 厚度為30 1000nm的氧碳化層，氧碳化層為鈦的碳化物和氧化物。
實施例1
把用工業鈦材TA1製成的試樣置入真空室3中，真空達到5x10-3Pa 後，使鈦材加熱到IOOOX:，通入0.1Pa高純CO2氣體，氣體分壓經過200 小時反應擴散處理，在鈦材表面生成厚度為1000nm的氧碳化層，表面硬 度達到HV1100。
實施例2
把用Ti6A14V鈦合金製成的試樣置入真空室3中，真空達到5x10-3Pa 後，使鈦材加熱到700*€，通入1000Pa高純CO2氣體，經過0.5小時反應 擴散處理，在鈦材表面生成厚度為30 nm的氧碳化層，表面硬度達到 HV700。
權利要求
1、一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備，其特徵在於包括真空室(3)，所述真空室(3)上方設有進氣口(5)和壓力表(4)，其下方設有泵組(6)，發熱體(2)位於真空室(3)內。
2、 利用如權利要求1所述設備進行一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的 方法，其特徵在於該方法為將鈦件(1)和多孔純石墨(7)預置於真空 室(3)中，真空室(3)由泵組(6)實施排氣，形成真空氣氛；用置於 真空室(3)中的發熱體(2)使鈦件(1)加熱到700 1100X:，通過進氣 口 (5)通入純二氧化碳氣體，純二氧化碳氣體與多孔純石墨(7)反應， 生成的CO再與鈦件(1)反應，鈦件(1)表面形成厚度為30~1000|Lim 的氧碳化層。
3、 根據權利要求2所述的一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的方法，其 特徵在於所述純二氧化碳氣體壓力為0.1Pa 1000Pa。
4、 根據權利要求2所述的一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的方法，其 特徵在於所述氧碳化層為鈦的碳化物和氧化物。
全文摘要
本發明公開了一種鈦及鈦合金表面氧碳共滲的設備及方法，通過在真空狀態下，使鈦及鈦合金的溫度達到700～1100℃，通入壓力為0.1Pa～1000Pa的高純CO2氣體，經過0.5小時～200小時的處理，實現了在鈦合金表面形成30～1000μm的硬化層，硬化層的成分為鈦的碳化物和氧化物，硬度達到700～HV1100。在工藝過程中不存在能使鈦發生氫脆的H元素，實現了鈦表面無氫硬化。
文檔編號C23C8/28GK101177774SQ200710188530
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者姬壽長, 李爭顯, 杜繼紅, 王少鵬, 胡湘銀, 陳玉斌, 馬秀芬, 黃春良 申請人:西北有色金屬研究院