鈦表面硬化的主要方法

表面硬化的目的是提高耐磨性，并消除在摩擦條件下工作的零件發(fā)生相互黏附的危險性。在硬度提高的同時，有可能耐蝕性能及疲勞強度也有所提高。這里首先關(guān)注表面硬度的提高，關(guān)注工藝本身及其對表面硬度提高的影響。鈦合金滲碳在表面上生成TiC相，具有非常高的硬度。TiC層與基體的結(jié)合力很差，妨礙實際使用。鈦表面滲硼生成，相，硬度也很高。

據(jù)文航報道，將酸洗后的鈦零件包理在粉和A,0,粉各半的混合粉末（其中加有0.75%-1.0%
N,F·HF)中，在1010℃保溫48h,即可生成TB,層。在上述條件下，該涂層的厚度依合金不同而異，工業(yè)純鈦上生成的涂層厚度為25um,TC4合金上形成厚度為20μm,硬度在HV2800~3450的范圍。滲硼的溫度要求高，這使其應(yīng)用受到一定限制。如果先在鈦上電鍍鐵，之后進行硼化，可以降低硼化溫度到870℃,鍍層厚度可達40μm,硬度可到HV2300.

表面氮化（滲氮）處理
在鈦的表面硬化處理中，氮是一種良好的硬化劑。在經(jīng)過表面氮化處理后，鈦的表面形成了氮化鈦層。氮化鈦是一種間隙化合物，具有高熔點和高硬度。堅硬耐蝕的表面氮化鈦層，使得經(jīng)氮化處理后的各種鈦制件在化工、電鍍、洗印、電子、冶金等行業(yè)中具有推廣應(yīng)用的意義。此外，氮化鈦層的金黃色光澤也起到了裝飾作用。
已經(jīng)報道的鈦的氮化方法有氣體滲氮、離子滲氮、離子注入、激光氮化、電解質(zhì)溶液等離子氮化。氣體滲氮是最先發(fā)展起來的工藝，它是將鈦合金零件置于800~1000℃的含氮介質(zhì)中進行氮化（爐內(nèi)充滿氮氣，保溫十幾個小時至數(shù)十個小時）。由于鈦吸收氮氣，氮化時也可以在高溫爐內(nèi)直接通入氮氣。
氮化后，零件上可生成0.1~0.15mm的氮化層。氮化層通常由TIN(8相）、Ti2N(y相）和氮在α-Ti中的固溶體a-Ti(N)三相組成。隨著氮化溫度的升高，時間的延長，TiN(8相）含量增加，T2N(y相）、a-Ti(N)含量減少。在氮和鈦開始反應(yīng)時，首先形成氮在鈦中的固溶體，隨著濃度的增加，依次形成Ti2N和TIN,TIN和Ti3N各自的相對含量隨溫度和時間的改變有很大變化，但其感量變化不大。若把TiN、Ti2N和a-Ti(N)三相的含量關(guān)系視為厚度關(guān)系，則可認(rèn)為：當(dāng)溫度較低，時間較短時，TIN層較薄，而Ti,N層較厚；隨著溫度的升高、時間的延長，氨通過TIN層繼續(xù)擴散，TIN層厚度增加，Ti2N層厚度相對減小。TIN和Ti2N層的總厚度雖向基體有所擴展，但變化不大。由于8相性脆，會導(dǎo)致合金的韌性降低，所以滲氮時間和溫度條件應(yīng)掌握在形成8相分布在y相中的結(jié)構(gòu)最為理想。

欲進行鈦的氮化，采用純氮氣作氮化源時，對氮氣的純度要求較高，通常采用99.9%以上的高純氮氣，否則由于微量氧氣會加速鈦合金表面的氧化反應(yīng)，因此會使氮化反應(yīng)難以進行。此外，氮化前需要對系統(tǒng)除氧，保證設(shè)備始終處于真空狀態(tài)，否則即使?fàn)t內(nèi)的氮氣純度能夠保證，也可能會因設(shè)備的輕微泄漏造成工件的不同部分發(fā)生不同程度的氧化、工件表面有輕微紫色或者發(fā)出火花。如果在氮化氣體中添加一定量的氫，由于氫離子具有還原作用，鈦表面的氧化膜難以穩(wěn)定存在，因而氮化反應(yīng)易于進行。雖然氫在氮化過程中起著良好的保護作用，但是也存在一定問題，即在氮化后，鈦材試樣中氫含量增加，存在著氫脆的危險。用氨進行氮化時，由氨分解出來的氫是一個活性基，它既能去除鈦材表面原有的氧化膜，又能阻止氮化過程中新的氧化反應(yīng)，有明顯的還原作用。在氫的作用下，工件表面一直保持在無污染的活性狀態(tài)，易于氮化。工作實踐表明，使用氨氮混合氣體進行氮化，當(dāng)氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.015%時，鈦材仍保持良好的塑性；而使用氮氫混合氣體進
行氮化，當(dāng)鈦材中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到0.012%時，就會發(fā)生氫脆。鈦及鈦合金經(jīng)氮化后，表面硬度成倍提高。例如，工業(yè)純鈦的硬度一般不超過HV225,氮化后表面硬度可達HV800~1000;兩相鈦合金TC4未氮化時硬度約為HV380~400,氮化后硬度可達
HV1385~1670.
氮化后的硬度隨著溫度、氮化時間以及氮氣壓力的改變而改變。隨著氮化溫度升高，時間延長，表面硬度增加。在1000℃氨化，試樣表面出現(xiàn)凸浮，影響使用，應(yīng)予避免。在相同氮氣壓力下（比如115~12kPa),低于1000℃時，在4h前，表面硬度隨時間的延長急劇升高；4~8h以內(nèi)變化趨于平緩，