[发明专利]一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，涉及一种钛表面硬化的设备及方法，特别是涉及一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法。

背景技术

钛是活性金属，与其它金属相比，钛的密度小，强度高，耐蚀性好，但由于其导热系数低，耐磨性差，摩擦时易产生烧接。为此，人们积极研究钛表面的硬化技术，以提高其耐磨性。钛的表面硬化技术通常有湿法电镀，渗碳，放电加工，PVD，CVD，气体氮化，堆焊等。在这些方法中，以渗碳工艺提高耐磨性能最为显著，但现有的渗碳工艺主要是等离子渗碳和真空渗碳，碳原子是通过甲烷、乙炔等含有氢的气体产生的，它们在生成碳离子的同时也有氢离子生成。人们知道，在室温下，氢在钛中的固溶极限只有20PPm，但在80℃以上的温度，氢在钛中的扩散系数很大，固溶度剧增。氢严重危害钛的性能，直接表现为钛的塑性、韧性及抗拉强度大幅度下降。在工业中已经发生了多起钛吸氢的重大事故，损失巨大。在钛表面无氢渗碳技术中，虽然实现了钛表面的无氢渗碳，但由于碳与钛反应生成致密的TiC，阻挡了碳原子的进一步渗入，因此，渗碳层浅。所以，从目前的研究结果来看，主要存在以下的问题：1、在钛合金表面渗入气体元素的工艺中均存在能使钛合金发生氢脆的“H”元素，严重影响着钛合金基体的性能；2、在现有的无氢渗碳技术中，由于C能在钛材表面形成一层致密的TiC层，阻挡着后续C的渗入，因此，渗层很浅，耐磨性能提高有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可提高钛表面耐磨性能，实现了钛表面无氢硬化的钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备，其特征在于包括真空室，所述真空室上方设有进气口和压力表，其下方设有泵组，发热体位于真空室内。

一种钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，其特征在于该方法为：将钛件和多孔纯石墨预置于真空室中，真空室由泵组实施排气，形成真空气氛；用置于真空室中的发热体使钛件加热到700～1100℃，通过进气口通入纯二氧化碳气体，纯二氧化碳气体与多孔纯石墨反应，生成的CO再与钛件反应，钛件表面形成厚度为30～1000μm的氧碳化层。

所述纯二氧化碳气体压力为0.1Pa～1000Pa；所述氧碳化层为钛的碳化物和氧化物。

本发明的理论依据为：

在真空高温条件下发生下列的反应，

CO₂+C→CO               (1)

Ti+CO→TiC+TiOx         (2)

即通入的高纯CO₂气体与预置于真空室中的碳在710℃以上就可反应，生成CO，CO与高温的Ti反应生成TiC和钛的氧化物。

本发明基于在真空和高温的条件下式(1)和式(2)的反应，实现在钛表面层的渗碳氧，在此基础上，温度的影响，使C和O原子不断向钛基体的内部扩散，形成了更深层的硬化。在整个工艺过程中，不存在元素H，实现了无氢硬化处理的目的。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明实现了在钛合金表面形成30～1000μm的硬化层，硬化层的成分为钛的碳化物和氧化物，硬度达到700～HV1100，在工艺过程中不存在能使钛发生氢脆的H元素，实现了钛表面无氢硬化。

附图说明

图1为本发明钛及钛合金表面氧碳共渗的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备，包括真空室3，所述真空室3上方设有进气口5和压力表4，其下方设有泵组6，发热体2位于真空室3内。

如图1所示，本发明一种钛及钛合金表面氧碳共渗的方法，该方法为：将钛件1和多孔纯石墨7预置于真空室3中，真空室3由泵组6实施排气，形成真空气氛；用置于真空室3中的发热体2使钛件1加热到700～1100℃，通过进气口5通入压力为0.1Pa～1000Pa的纯二氧化碳气体，纯二氧化碳气体与多孔纯石墨7反应，生成的CO再与钛件1反应，钛件1表面形成厚度为30～1000μm的氧碳化层，氧碳化层为钛的碳化物和氧化物。

实施例1

把用工业钛材TA1制成的试样置入真空室3中，真空达到5×10^-3Pa后，使钛材加热到1000℃，通入0.1Pa高纯CO₂气体，气体分压经过200小时反应扩散处理，在钛材表面生成厚度为1000μm的氧碳化层，表面硬度达到HV1100。

实施例2

把用Ti6Al4V钛合金制成的试样置入真空室3中，真空达到5×10^-3Pa后，使钛材加热到700℃，通入1000Pa高纯CO₂气体，经过0.5小时反应扩散处理，在钛材表面生成厚度为30μm的氧碳化层，表面硬度达到HV700。