一種在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法
【專(zhuān)利摘要】一種在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法，先將鈦合金材料表面依次經(jīng)過(guò)除油、水洗、打磨、拋光和超聲清洗，然后用由碳化硼92％～98％、硼粉2％～5％(質(zhì)量百分比)混合制成的滲硼劑進(jìn)行滲硼。該方法可在較低溫度(900～1000℃)和較低保溫時(shí)間(2～5h)條件下獲得硼化物層，不僅使鈦合金的耐磨性能得到顯著提高，而且滲硼過(guò)程能耗低，對(duì)加熱爐要求不高，用常規(guī)的FeCrAl電阻絲爐即可滿足要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬表面處理技術(shù)，特別是一種在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，鈦合金以其低密度、高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的耐蝕性而廣泛應(yīng)用于航天、船舶、化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。近年來(lái)，鈦合金的使用量在不斷增加，但由于其存在硬度低、耐磨性差等缺點(diǎn)，當(dāng)用作滑動(dòng)部件(如閥及導(dǎo)桿、活塞銷(xiāo)和連桿軸等)時(shí)，易與對(duì)磨材料粘著，產(chǎn)生磨損，使其應(yīng)用范圍受到很大限制。因此，提高鈦合金的硬度和耐磨性成為本領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。
[0003]為了提高鈦合金的硬度和耐磨性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究工作。采取滲氮、滲硼、滲氧、滲碳等化學(xué)熱處理技術(shù)，通過(guò)氮、硼、氧、碳等輕量元素的高溫?cái)U(kuò)散，可直接在鈦合金表面生長(zhǎng)出氮化鈦、硼化鈦、氧化鈦和碳化鈦等硬質(zhì)層，減少膜層容易剝落的缺點(diǎn)。由于鈦的硼化物是一種具有硬度高、導(dǎo)熱性好、電阻低等優(yōu)良特性的陶瓷材料，因此滲硼是提高鈦合金表面硬度、改善耐磨性、抗粘著性等表面性能的一種有效手段。迄今為止，對(duì)于鈦的滲硼技術(shù)有固體粉末法、熔鹽電解法、流化床法等。
[0004]固體粉末法滲硼技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，適用較廣。CN101608296A專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種采用碳化硼作為滲硼劑對(duì)鈦合金表面進(jìn)行滲硼的方法。該方法將鈦合金埋入坩堝中的碳化硼粉末中，密封升溫至1000?1200°C，保溫5?20h，可獲得TiB2和TiB雙相滲硼層。CN101608295A專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種在碳化硼粉末中添加2?8%氧化鈰稀土粉末構(gòu)成的滲硼劑，采取與CN101608296A專(zhuān)利相同的方法滲硼，在氧化鈰稀土催化劑的作用下，可使?jié)B硼層厚度增加30%以上。不過(guò)，該專(zhuān)利與CN101608296A專(zhuān)利均要求的滲硼溫度高于1000°C，才能獲得顯微鏡可觀測(cè)到的滲硼層，且保溫時(shí)間較長(zhǎng)(5?20h)。較高的工作溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，會(huì)使整個(gè)滲硼過(guò)程能耗較高；同時(shí)對(duì)加熱爐也提出了較高的要求(多需采用碳化硅發(fā)熱體)。如果能在低于1000°C的溫度下滲硼，則可降低對(duì)加熱爐的要求，采用常規(guī)的FeCrAl電阻絲爐即可。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能在較低溫度下在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法。
[0006]為了降低滲硼溫度，本發(fā)明采取在碳化硼滲硼劑中添加各種不同的催滲劑，分別進(jìn)行滲硼試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)含硼添加劑會(huì)促進(jìn)滲硼層中TiB晶須的生長(zhǎng)，由于硼化鈦的生長(zhǎng)順序?yàn)橄壬蒚iB，然后TiB繼續(xù)與B原子結(jié)合生成TiB2，大量晶須的生成說(shuō)明含硼添加劑在很大程度上增加了硼勢(shì)，或活性硼原子的濃度，促進(jìn)硼在鈦合金表面的擴(kuò)散和硼鈦化合物的生成。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終獲得本發(fā)明在較低溫度下在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法，其步驟如下:
[0007]步驟1、預(yù)制滲硼劑
[0008]取純度為93?97%的碳化硼粉末和純度為95%的純硼粉末，按質(zhì)量百分比碳化硼92%?98%、硼粉2 0Z0?5%配料，混合均勻，使混合物粉末的粒度< 45μπι。
[0009]步驟2、鈦合金材料表面處理
[0010]⑴除油
[0011]將金屬洗凈劑與水混合配制成濃度為3%的溶液，升溫至55°C，將鈦合金材料浸入金屬洗凈劑溶液中，浸泡除油2小時(shí)；
[0012]⑵水洗
[0013]將除油后的鈦合金材料浸入50°C熱水中，浸泡2小時(shí)，然后再用常溫去離子水沖洗兩次；
[0014]⑶表面打磨
[0015]將水洗后的鈦合金材料的表面依次利用240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型號(hào)的水磨砂紙進(jìn)行打磨；
[0016]⑷表面拋光
[0017]對(duì)打磨好的鈦合金材料在拋光機(jī)上進(jìn)行表面拋光，期間在拋光機(jī)上不斷注入粒度為0.5μπι的金相拋光劑和去離子水，直至將鈦合金材料表面拋至粗糙度為Ra0.1?
0.0lnm ；
[0018](5)超聲清洗
[0019]先以丙酮為清洗劑，用超聲波清洗機(jī)將經(jīng)過(guò)表面拋光的鈦合金材料清洗30分鐘，清洗溫度為15°C ;然后以去離子水為清洗劑，用超聲波清洗機(jī)將鈦合金材料再清洗30分鐘，清洗溫度為15°C ；
[0020]步驟3、滲硼處理
[0021]將經(jīng)過(guò)步驟2表面預(yù)處理的鈦合金材料置于剛玉坩堝中，并用步驟I預(yù)制的滲硼劑將其填埋；然后將坩堝加蓋，置于一體化高溫爐中，以15?20°C /min的升溫速率加熱至900?1000°C，保溫2?5h，坩堝隨爐冷卻后將鈦合金材料取出。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是:
[0023]1、工藝簡(jiǎn)單，易于操作，不需真空或惰性氣氛保護(hù)，在空氣條件下即可對(duì)鈦合金表面進(jìn)行滲硼處理。
[0024]2、只在碳化硼滲硼劑中添加少量的硼粉，即可在較低溫度(900?1000°C )和較短保溫時(shí)間(2?5h)條件下獲得硼化物層。整個(gè)滲硼過(guò)程的能耗降低，對(duì)加熱爐的要求不高，采用常規(guī)的FeCrAl電阻絲爐即可滿足要求。
[0025]3、在試驗(yàn)力10N，轉(zhuǎn)數(shù)20r/min的干摩擦條件下，專(zhuān)利CN101608296A與CN101608295A滲硼層分別能承受磨損1min和15min。本發(fā)明在試驗(yàn)力50N，轉(zhuǎn)數(shù)300r/min的干摩擦條件下，滲硼層能承受磨損20min，說(shuō)明本滲硼層不僅能夠承受更大的載荷，耐磨性能也得到顯著提高。

【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0027]以下實(shí)施例中所用鈦合金試樣為T(mén)Al,尺寸為20mmX 20mmX6mm,其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)為:Fe 0.25%, O 0.20%, C 0.10%, N 0.03%, H 0.015%，其余為 Ti。
[0028]實(shí)施例1
[0029]該實(shí)施例按以下步驟進(jìn)行:
[0030]步驟1、預(yù)制滲硼劑
[0031]取牡丹江精工磨料碳化硼有限公司生產(chǎn)的純度93?97%的碳化硼粉和丹東市化工研究所有限責(zé)任公司生產(chǎn)的純度為95%的無(wú)定形硼粉，按質(zhì)量百分比計(jì)碳化硼95%、硼粉5%配料，混合均勻后通過(guò)研磨和篩選，使其粒度< 45 μ m。
[0032]步驟2、對(duì)TAl試樣進(jìn)行表面處理
[0033](I)除油
[0034]將金屬洗凈劑與水混合配制成濃度為3%的金屬洗凈劑溶液，升溫至55°C，將TAl試樣浸入金屬洗凈劑溶液中，浸泡除油2小時(shí)；
[0035](2)水洗
[0036]將除油后的TAl試樣浸入50°C熱水中，浸泡2小時(shí)，然后再用常溫去離子水沖洗兩次；
[0037](3)表面打磨
[0038]將水洗后的TAl試樣的六面表面依次在240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型號(hào)的水磨砂紙上進(jìn)行打磨；
[0039](4)表面拋光
[0040]在拋光機(jī)上對(duì)打磨好的TAl試樣進(jìn)行表面拋光，期間在拋光機(jī)上不斷注入粒度為
0.5 μ m的金相拋光劑和去離子水，直至將試樣表面拋至粗糙度為Ra0.1?0.0lnm ；
[0041](5)超聲清洗
[0042]先以丙酮為清洗劑，用超聲波清洗機(jī)將經(jīng)過(guò)表面拋光的TAl試樣清洗30分鐘，清洗溫度為15°C ;然后以去離子水為清洗劑，用超聲波清洗機(jī)將TAl試樣再清洗30分鐘，清洗溫度為15°C。
[0043]步驟3、滲硼處理
[0044]取經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理的TAl試樣與步驟I預(yù)制的滲硼劑一起放在50ml的剛玉坩堝中，將TAl試樣埋于滲硼劑中，給坩堝加蓋，置于一體化高溫爐中，以15?20°C /min的升溫速率加熱升溫至900°C，保溫2?5h，坩堝隨爐冷卻后將TAl試樣取出。
[0045]將取出的TAl試樣表面的滲硼劑清理干凈，然后進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)X射線衍射分析(XRD)檢測(cè)分析，滲層主要為硼化物TiB。經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè)，試樣表層的滲硼層TiB晶須深入滲透與基體楔合良好，未有裂紋和孔洞產(chǎn)生。MM-WlA立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)定試驗(yàn)力50N,轉(zhuǎn)數(shù)300r/min,經(jīng)持續(xù)摩擦20min后上摩擦副才穿透滲層達(dá)到基體,說(shuō)明滲層較厚，試樣表面的平均摩擦系數(shù)為0.215，僅為基體摩擦系數(shù)的一半，耐磨性能顯著提高。
[0046]實(shí)施例2
[0047]本實(shí)施例的步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處是步驟3中的加熱升溫溫度為950。。。
[0048]滲硼后的TAl試樣經(jīng)X射線衍射分析(XRD)檢測(cè)分析，滲層主要為硼化物TiB與TiB2,經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè),試樣表層的滲硼層與基體楔合良好,未有裂紋和孔洞產(chǎn)生,試樣表面的摩擦系數(shù)為0.15?0.25。
[0049]實(shí)施例3
[0050]本實(shí)施例的步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處是步驟3中的加熱升溫溫度為1000。。。
[0051]滲硼后的TAl試樣經(jīng)X射線衍射分析(XRD)檢測(cè)分析，滲層主要為硼化物TiB與TiB2，經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測(cè)，試樣表層的滲硼層致密、與基體楔合良好，試樣表面的摩擦系數(shù)為0.15?0.25。
【權(quán)利要求】
1.一種在鈦合金表面獲得硼化物擴(kuò)散層的方法，其特征是包括以下步驟: 步驟1、預(yù)制滲硼劑 取純度為93?97%的碳化硼粉末和純度為95%的純硼粉末，按質(zhì)量百分比碳化硼92%?98%、硼粉2 0Z0?5%配料，混合均勻，使混合物粉末的粒度< 45μπι ; 步驟2、鈦合金材料表面處理 .(1)除油 將金屬洗凈劑與水混合配制成濃度為3%的溶液，升溫至55°C，將鈦合金材料浸入金屬洗凈劑溶液中，浸泡除油2小時(shí)； .(2)水洗 將除油后的鈦合金材料浸入50°C熱水中，浸泡2小時(shí)，然后再用常溫去離子水沖洗兩次； .(3)表面打磨 將水洗后的鈦合金材料的表面依次利用240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型號(hào)的水磨砂紙進(jìn)行打磨； .(4)表面拋光 對(duì)打磨好的鈦合金材料在拋光機(jī)上進(jìn)行表面拋光，期間在拋光機(jī)上不斷注入粒度為0.5 μ m的金相拋光劑和去離子水，直至將鈦合金材料表面拋至粗糙度為Ra0.1?0.0lnm ； .(5)超聲清洗 先以丙酮為清洗劑，用超聲波清洗機(jī)將經(jīng)過(guò)表面拋光的鈦合金材料清洗30分鐘，清洗溫度為15°C ;然后以去離子水為清洗劑，用超聲波清洗機(jī)將鈦合金材料再清洗30分鐘，清洗溫度為15°C ； 步驟3、滲硼處理 將經(jīng)過(guò)步驟2表面預(yù)處理的鈦合金材料置于剛玉坩堝中，并用步驟I預(yù)制的滲硼劑將其填埋；然后將坩堝加蓋，置于一體化高溫爐中，以15?20°C /min的升溫速率加熱至900?1000°C，保溫2?5h，坩堝隨爐冷卻后將鈦合金材料取出。
【文檔編號(hào)】C23C8/02GK104233180SQ201410380403
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月4日
【發(fā)明者】李鳳華, 王麗娜, 周龍福, 何歡, 李英楠, 樊占國(guó) 申請(qǐng)人:東北大學(xué)