[发明专利]一种锆钛合金双辉等离子渗氮的表面强化方法

说明书

一种锆钛合金双辉等离子渗氮的表面强化方法，其包括以下步骤：将原始态锆钛合金进行打磨、抛光、清洗、烘干，置于双辉等离子表面冶金炉中，源极放置相同材质经过打磨的锆钛合金；抽真空后充入氮气；炉内气压90～130Pa，工件极电压调整至200～300V，保持10min，将工件极电压调整至600～650V，源极电压调整至900～950V，进行双辉等离子渗氮，使温度升至750～850℃，双辉等离子渗氮时间为5h，渗氮完成后随炉冷却。本发明通过加入相同材质的辅助源极，能够节约工件的升温时间，并能提高氮气的电离率，与离子渗氮相比较渗氮效率得到显著提高，同时提高了锆钛合金的表面硬度和耐磨性。

技术领域 本发明涉及一种锆钛合金的表面强化方法。

技术背景 锆合金在地壳中储量丰富，锆的中子吸收截面小、抗辐照、抗腐蚀性好，在核工业和化学工业中获得了的重要应用。目前使用的锆合金强度较低，尽管高强度锆合金开发方面已取得很大进展，一些具有优异力学性能的锆合金已被开发出来，但其表面硬度和耐磨性仍不能满足使用要求，尚待进一步提高。表面强化是提高材料表面硬度和耐磨性的最有效手段。因此需探索钛合金的化学热处理强化方法，从而有效地提高其表面硬度和耐磨性。

发明内容 本发明的目的在于提供一种能够锆钛合金表面硬度和耐磨性的锆钛合金双辉等离子渗氮的表面强化方法。本发明是在离子渗氮的基础上发展而来，主要是采用锆钛合金本身或金属锆作为辅助源极靶材对锆钛合金进行双辉等离子渗氮，新增的辅助源极提供与工件极不等位的电位，他们之间形成不等位的“空间阴极效应”，极大的提高了两者的电流，有利于快速升温并达到更高的温度，使气体离化率也得到显著提高，在相对较短时间内可在该锆钛合金表面形成大量高硬相的氮化物，使该合金表面的硬度和耐磨性得到显著提高。

本发明的方法包括以下步骤：

(1)将原始态锆钛合金用线切割加工成所需的尺寸；所述原始态锆钛合金的化学成分质量百分数为Zr46Ti44Al5V5；

(2)将锆钛合金用砂纸打磨至镜面，打磨处理后用抛光机进行抛光，随后浸泡在无水乙醇中进行超声清洗20min；

(3)将清洗后的待渗锆钛合金作为工件极，除锈后的金属锆或锆钛合金作为辅助源极，置于双辉等离子表面冶金炉中，通过调整支架使辅助源极与工件极之间的间距为15mm～20mm，抽真空至4Pa以下，再次向炉内充入氮气使炉内气压达到300Pa，再次抽气，重复两次，减少炉内可能残余的氧气；

(4)将炉内气压控制在90～130Pa，打开工件极电源，将工件极电压调整至200～300V，保持10min，目的在于对锆钛合金表面进行清洗，随后将工件极电压调整至600～650V，源极电压调整至900～950V，进行双辉等离子渗氮，使锆钛合金表面温度升至750～850℃，双辉等离子渗氮时间为5h；

(5)渗氮结束后，待炉体缓慢冷却至室温，取出锆钛合金，双辉等离子渗氮完成。

本发明与需要技术相比具有如下优点：

(1)与离子渗氮相比较，双辉等离子渗氮可在较低的气压和较短时间内在锆钛合金表面形成较厚的有效渗层；

(2)采用双辉等离子渗氮可使该合金表面硬度由原来的400HV提高到900HV以上，提高一倍以上，且最佳渗层厚度能达到450μm左右；

(3)使用该方法获得的渗层，对锆钛合金表面的强化效果显著，使该合金表面摩擦系数降低，与未经过渗氮处理的锆钛合金相比较其磨损失重损失较少，耐磨性得到显著提高。

附图说明

图1是实施例1得到的锆钛合金渗层金相显微组织图；

图2是实施例2得到的锆钛合金渗层金相显微组织图；

图3是实施例3得到的锆钛合金渗层金相显微组织图；

图4是实施例3得到的锆钛合金渗层横截面硬度梯度变化图；