阅读说明：本技术 一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法 (Local ion nitriding method for deep cavity threads of titanium alloy part ) 是由 闻强苗 陈晓红 吕振兴 王成 白晶莹 崔庆新 李思振 李国利 *** 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法,属于化学热处理技术领域；步骤一、根据钛合金零件的尺寸形状制作渗氮工装；步骤二、对渗氮工装进行真空退火处理；步骤三、擦拭钛合金零件和渗氮工装,通过无油压缩空气或氮气吹干；步骤四、将渗氮工装包覆在钛合金零件的外壁；步骤五、重复步骤一至步骤四n次,制作n个包覆钛合金零件的渗氮工装；将n个渗氮工装呈环形均匀设置在电离圆盘上；n为正整数；步骤六、对钛合金零件进行渗氮处理；本发明通过工装设计保护零件外表面及深腔非渗部位无渗氮层,调节渗氮过程中温度、时间、气氛、电参数,使得整个深腔螺纹获得满足技术要求的渗氮层硬度、渗氮深度。(The invention relates to a method for local ion nitriding of a deep cavity thread of a titanium alloy part, belonging to the technical field of chemical heat treatment; manufacturing a nitriding tool according to the size and shape of the titanium alloy part; step two, carrying out vacuum annealing treatment on the nitriding tool; wiping the titanium alloy part and the nitriding tool, and drying by using oil-free compressed air or nitrogen; step four, coating the nitriding tool on the outer wall of the titanium alloy part; step five, repeating the step one to the step four n times, and manufacturing n nitriding tools for coating the titanium alloy parts; uniformly arranging n nitriding tools on an ionization disc in an annular shape; n is a positive integer; sixthly, nitriding the titanium alloy part; the invention protects the outer surface of the part and the non-nitriding part of the deep cavity from being provided with the nitriding layer through tool design, and adjusts the temperature, time, atmosphere and electrical parameters in the nitriding process, so that the whole deep cavity thread can obtain the hardness and the nitriding depth of the nitriding layer which meet the technical requirements.)

一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法

技术领域

本发明属于化学热处理技术领域，涉及一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法。

背景技术

钛合金是具有比强度高和耐腐蚀性能好两个显著优点，具有高比强度、高疲劳性能、高耐腐蚀、低膨胀系数、高稳定性等优异性能，在航空航天领域具有良好的应用前景。

由于钛合金低表面强度、低导热性、耐磨性差等缺点，导致钛合金部件装配过程中易于发生黏着、咬合，进而发生零件失效甚至断裂。为了提高钛合金耐磨性能，通过离子渗氮表面改性处理增加表面强度，从而提高零件的寿命。

离子渗氮是利用稀薄含氮气体产生辉光放电对金属材料表面进行轰击加热和形成氮化物进行强化。常规渗氮处理多针对零件的外表面，深腔螺纹渗氮是对零件的内部螺纹进行局部渗氮，同时需对零件的外表面及内孔非渗部位进行防渗保护，保护装置不能妨碍深腔正常渗氮。深腔渗氮时，由于辉光阴极压降的特性，辉光层难以深入到深腔，造成深腔不能渗氮或渗氮层深度分布不均，不能满足螺纹耐磨性使用要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，通过工装设计保护零件外表面及深腔非渗部位无渗氮层，调节渗氮过程中温度、时间、气氛、电参数，使得整个深腔螺纹获得满足技术要求的渗氮层硬度、渗氮深度。

本发明解决技术的方案是：

一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据钛合金零件的尺寸形状制作渗氮工装；

步骤二、对渗氮工装进行真空退火处理；

步骤三、擦拭钛合金零件和渗氮工装，通过无油压缩空气或氮气吹干；

步骤四、将渗氮工装包覆在钛合金零件的外壁；

步骤五、重复步骤一至步骤四n次，制作n个包覆钛合金零件的渗氮工装；将n个渗氮工装呈环形均匀设置在电离圆盘上；n为正整数；

步骤六、对钛合金零件进行渗氮处理。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤一中，钛合金零件为柱状结构；钛合金零件的轴心处沿轴线方向设置有柱状通孔；渗氮工装为中空壳体结构；渗氮工装对应柱状通孔的位置，设置有尺寸相同的露孔。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤二中，真空退火处理的具体方法为：

S1、将渗氮工装放入燃烧炉中；

S2、对燃烧炉进行抽真空处理；

S3、对燃烧炉进行加热、保温处理；

S4、冷却出炉。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤二的S2中，燃烧炉抽真空后的真空度优于5Pa；所述S3中，对燃烧炉进行加热过程中，升温速率为8-15℃/min；直至加热至800-850℃；停止加热，并保温1-3h；S4中，燃烧炉自然冷却降温，当燃烧炉的温度降至小于150℃时，渗氮工装出炉。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤三中，采用无水乙醇对钛合金零件和渗氮工装进行擦拭；擦拭时，对钛合金零件的外壁及柱状通孔的内壁进行擦拭；对渗氮工装的外壁和内壁均进行擦拭。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤四中，渗氮工装包覆钛合金零件时，调整渗氮工装，实现将钛合金零件的外表面完全覆盖，同时通过露孔将钛合金零件的柱状通孔两端完整露出。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤五中，n为偶数，且n大于等于4；n个渗氮工装的轴向均沿电离圆盘径向放置。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤六中，对钛合金零件进行渗氮处理的具体方法为：

S1、将n个包覆钛合金零件的渗氮工装和电离圆盘放置在密闭箱体中；

S2、对密闭箱体进行抽真空处理；

S3、对密闭箱体进行加热、保温处理；

S4、保温过程中，向密闭箱体内充入氮气和氩气的混合气体；

S5、给电离圆盘通电；在密闭箱体内产生电场，电离出氮原子和钛原子，生成氮化钛；

S6、冷却出箱，完成渗氮。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，所述步骤六的S2中，密闭箱体抽真空后，真空度优于5Pa；S3中，对密闭箱体进行加热时，密闭箱体的升温速率为5-10℃/min；直至加热至750-850℃，停止加热，并保温10-20h；S4中，混合气体中氮气和氩气的比例为3.0：0.1—3.0：0.5；直至密闭箱体内的压强为400-800pa，停止充气；S5中，通电电流为30-60A，电压为400-600V；在钛合金零件露出的柱状通孔的内壁生成氮化钛；S6中，密闭箱体冷却过程中，持续充入氮气和氩气的混合气体；直至密闭箱体的温度降至小于50℃；将包覆钛合金零件的渗氮工装取出，拆掉渗氮工装，完成对钛合金零件的渗氮。

在上述的一种钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法，渗氮后的钛合金零件，渗氮位置的表面硬度HV≥650；深氮层深度D_N满足0.015mm≤D_N≤0.030mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明针对钛合金内腔螺纹渗氮问题，采用渗氮工装，既能够保证钛合金外表面无渗层，又能够保证内腔螺纹渗氮不受影响，利用工装将钛合金托起，更好地保证辉光渗氮过程；

(2)本发明采用无氢气氛渗氮，钛合金在氢气氛围中容易吸氢，钛合金内部氢含量达到一定程度在容易产生氢脆，从而使钛合金失效。无氢渗氮可有效避免钛合金产生氢脆；

(3)本发明采用离子渗氮，离子渗氮采用等离子轰击钛合金表面的方式，可有效缩短渗氮时间，较气体渗氮其工作效率大大提高；

(4)本发明在渗氮过程能够调节电参数，可以满足渗氮层沿内腔螺纹均匀分布的需要；

(5)能够在钛合金部件内腔螺纹表面制备氮化层，通过表面维氏硬度检测、金相和扫描电镜观察，渗氮层硬度和渗氮满足要求，且渗氮层均匀无缺陷。在7小时的盐雾腐蚀下，未渗氮的基体产生了轻微的腐蚀，而渗氮处理的部位未见到明显的腐蚀现象。渗氮层可实现精准控制，满足以下技术指标要求：渗氮部位表面硬度HV≥650；渗层深度0.015mm≤DN≤0.030mm。

附图说明

图1为本发明钛合金零件示意图；

图2为本发明渗氮工装示意图；

图3为本发明渗氮工装在电离圆盘分布示意图；

图4为本发明金相检测效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种适用于钛合金部件深腔螺纹局部离子渗氮的方法。通过工装设计保护零件外表面及深腔非渗部位无渗氮层，调节渗氮过程中温度、时间、气氛、电参数，使得整个深腔螺纹获得满足技术要求的渗氮层硬度、渗氮深度。

具体流程包括如下步骤：

步骤一、根据钛合金零件1的尺寸形状制作渗氮工装2；如图1所示，钛合金零件1为柱状结构；钛合金零件1的轴心处沿轴线方向设置有柱状通孔11；渗氮工装2为中空壳体结构；如图2所示，渗氮工装2对应柱状通孔11的位置，设置有尺寸相同的露孔21。

步骤二、对渗氮工装2进行真空退火处理；真空退火处理的具体方法为：

S1、将渗氮工装2放入燃烧炉中。

S2、对燃烧炉进行抽真空处理；燃烧炉抽真空后的真空度优于5Pa。

S3、对燃烧炉进行加热、保温处理；对燃烧炉进行加热过程中，升温速率为8-15℃/min；直至加热至800-850℃；停止加热，并保温1-3h。

S4、冷却出炉，燃烧炉自然冷却降温，当燃烧炉的温度降至小于150℃时，渗氮工装2出炉。。

步骤三、擦拭钛合金零件1和渗氮工装2，采用无水乙醇对钛合金零件1和渗氮工装2进行擦拭；擦拭时，对钛合金零件1的外壁及柱状通孔11的内壁进行擦拭；对渗氮工装2的外壁和内壁均进行擦拭。通过无油压缩空气或氮气吹干。

步骤四、将渗氮工装2包覆在钛合金零件1的外壁；渗氮工装2包覆钛合金零件1时，调整渗氮工装2，实现将钛合金零件1的外表面完全覆盖，同时通过露孔21将钛合金零件1的柱状通孔11两端完整露出。

步骤五、重复步骤一至步骤四n次，制作n个包覆钛合金零件1的渗氮工装2；将n个渗氮工装2呈环形均匀设置在电离圆盘3上；n为正整数；n为偶数，且n大于等于4；n个渗氮工装2的轴向均沿电离圆盘3径向放置，如图3所示。

步骤六、对钛合金零件1进行渗氮处理。对钛合金零件1进行渗氮处理的具体方法为：

S1、将n个包覆钛合金零件1的渗氮工装2和电离圆盘3放置在密闭箱体中；

S2、对密闭箱体进行抽真空处理；密闭箱体抽真空后，真空度优于5Pa。

S3、对密闭箱体进行加热、保温处理；对密闭箱体进行加热时，密闭箱体的升温速率为5-10℃/min；直至加热至750-850℃，停止加热，并保温10-20h。

S4、保温过程中，向密闭箱体内充入氮气和氩气的混合气体；混合气体中氮气和氩气的比例为3.0：0.1—3.0：0.5；直至密闭箱体内的压强为400-800pa，停止充气。

S5、给电离圆盘3通电；在密闭箱体内产生电场，电离出氮原子和钛原子，生成氮化钛；通电电流为30-60A，电压为400-600V；在钛合金零件1露出的柱状通孔11的内壁生成氮化钛。

S6、冷却出箱，完成渗氮。具体过程为密闭箱体冷却过程中，持续充入氮气和氩气的混合气体；直至密闭箱体的温度降至小于50℃；将包覆钛合金零件1的渗氮工装2取出，拆掉渗氮工装2，完成对钛合金零件1的渗氮。

渗氮后的钛合金零件1，渗氮位置的表面硬度HV≥650；深氮层深度D_N满足0.015mm≤D_N≤0.030mm，金相检测效果图如图4所示。

实施例

1)根据钛合金零件1尺寸形状设计渗氮工装2，保护钛合金零件1外表面和两端面，露出端面内腔。

2)将渗氮工装2进行真空退火热处理，热处理参数如下：

装炉方式：室温装炉；

升温速率：10℃/min；

真空退火温度：830℃；

保温：2h；

冷却：炉温到150℃以下出炉。

3)采用无水乙醇擦拭步骤中渗氮工装2及钛合金零件1整个外表面及内腔，并用压缩空气吹干；

4)将钛合金零件1装卡于渗氮工装2内，调节工装使内腔两端无遮挡；

5)将中渗氮工装2(装有钛合金零件1)均匀分布在电离圆盘3上，调整渗氮工装2轴向方向沿着电离圆盘3径向；渗氮工装2个数为偶数且大于等于4；

6)对中钛合金零件1进行渗氮，渗氮处理参数如下：

装炉方式：密封箱体；

真空度：加热前真空度优于5Pa；

升温速率：5℃/min；

渗氮温度：800℃；

氮气：氩气比例：3.0:0.1；400-800pa；

电压：450V；

电流：50A。

渗氮保温时间：16h；

7)密封箱体降温至50℃以下，钛合金零件1出炉，冷却过程中保持通入气体。

得到的钛合金零件渗氮层采用维氏硬度计检测，硬度满足要求；通过金相检测，渗氮均匀无缺陷，且满足渗层深度要求；通过盐雾试验，渗氮部位抗蚀能力较未渗氮部位有所提高。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。