纯钛及Ti-6Al-4V合金在低压氨气中的渗氮处理

钛及钛合金虽已得到广泛的应用，然而，耐磨性差、摩擦系数高以及易于疲劳和断裂的特性限制了其在某些工程上的应用。钛及钛合金表面硬化的最有效的方法之一是渗氮处理。在氨气中，钛的氮化迅速，但由于表面渗氢，会导致部件出现微裂纹。因此，波兰学者B.Januszewicz等人研究了在低压氨气中的渗氮处理对钛及钛合金表面硬度和耐磨性的影响。实验原料为φ25 mm×6 mm的Gr.2纯钛和Ti-6Al-4V合金圆盘。经打磨、抛光后，放入电阻炉的石英管中。炉子抽真空至1 Pa，并用氨气冲洗几次(去除空气和潮气，减小氧化的可能性)，冲入99.98%的无水氨气。氮化温度分别为650、750、850℃，时间均为360 min。渗氮后，采用销-盘磨损法测试试样的耐磨性;采用X射线衍射仪、显微硬度计、光学显微镜和SEM对试样的相组成、显微硬度、金相组织和微区成分进行了分析，并使用LECO TSH600分析仪进行氢含量分析。实验表明，纯钛及Ti-6Al-4V合金在低压氨气中氮化过程剧烈，硬度和耐磨性提高。钛基体在氨气中的氮化处理导致表层结构发生变化，出现了α相的稳定化以及饱和硬化层，其厚度从40 μm到150 μm，这依赖于工艺温度及基体类型。氢化处理温度越高，试样硬度值越大。在相同工艺制度下，与纯钛相比，Ti-6Al-4V合金硬化层厚度及硬度值更大。X射线衍射表明，氮化处理后的试样表面覆盖一层TiN和Ti2N化合物。除纯钛在650℃低温处理外，其它工艺制度下纯钛及Ti-6Al-4V合金在氮化后耐磨性增加。对于Ti-6Al-4V合金，最佳处理效果是850℃时，摩擦系数从0.7降至0.3，耐磨性显著增加。氮化处理中，气氛中的氢强烈渗到基体中，且随温度增加，渗入基体中的量减少。氢在摩擦接触的作用及对结构的影响不具有明确的负面性。SEM分析表明，氮化后Ti-6Al-4V合金基体进行了合金元素的再分配，α稳定元素Al在近表层集聚，β稳定元素V从表层逐渐减少并在β相晶界集聚。