CN118147571A - 用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，将钛合金置于500‑600℃的温度下维持2‑5h进行氧化反应；所述钛合金为β型钛合金，β相稳定元素的占比大于10％；所述β型钛合金在进行氧化反应前，先经过热处理，直至β型钛合金的基体硬度大于40HRC；本发明所提供的用于增强钛合金表面的处理方法，通过采用特定类型、特定硬度的钛合金基体，采用500‑600℃的低热氧化处理温度保温2‑5h发生氧气发生化学反应，在钛合金表面形成一层氧化层，获得高耐磨性的表面改性钛合金，进而使得该钛合金能够在小于700℃的热处理温度下制备出高耐磨性的钛合金同时不会产生过厚的氧化层，为设计和制备钛合金自润滑关节轴承提供新方法。
Description
技术领域
本发明属于钛合金表面处理技术领域，具体涉及一种用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法。
背景技术
自润滑关节轴承具有结构简单、承载能力强、自润滑性能好等优点，广泛应用于航空航天、水利水电、载重机械等领域，而钢制关节轴承质量大、耐腐蚀性差的缺点，限制了其在飞行器和海洋装备上的进一步应用，钛合金具有密度低、比强度高和耐腐性强等优点，广泛应用于航空航天领域，因此采用钛合金制备自润滑关节轴承日益受到关注。
钛合金作为对磨副，摩擦系高且不稳定、磨损率大，严重限制了钛合金作为摩擦零部件的应用，与其他改性方式相比，热氧化方式简单易行、成本低，除了增强表面硬度和耐磨性外，还能保证较高的表面光洁度，在摩擦学领域有着广泛的应用前景。公开号为CN1363713A的专利公开了一种钛合金渗氧方法，该方法在700-850℃温度下保温2-14小时，之后通过加工方法去掉钛合金表面氧化膜；公开号为CN1632158A的中国专利公开了一种钛合金表面氧化强化处理方法，该方法将钛合金置于固体介质中，在750-850℃温度下加热30-600min，之后在800-900℃温度下保温10-50h。
但是上述研究关注的重点在于获得高厚高硬度的热氧化层，热氧化处理的温度一般在700℃以上，较高的温度会使得钛合金本身的力学性能有所下降，过厚的氧化层也需要额外的机械加工；采用较低温度的热氧化处理，能否获得具有高耐磨性的钛合金表面还需要进一步研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种低成本、且具有优异力学性能和耐磨性能的用于增强合金表面耐磨性的处理方法。该处理方法能够采用低于700℃的热氧化处理温度获得具有高耐磨性的钛合金表面，为设计和制备钛合金自润滑关节轴承提供新方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，将钛合金置于500-600℃的温度下维持2-5h进行氧化反应。
在具体的实施方式中，所述钛合金为β型钛合金，β相稳定元素的占比大于10％。
在具体的实施方式中，所述β型钛合金在进行氧化反应前，先经过热处理，直至β型钛合金的基体硬度大于40HRC。
在具体的实施方式中，所述热处理包括固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为820℃～950℃，时间为20-60分钟，水冷；所述时效处理的温度为380-550℃，时间为2-24小时，空冷。
在具体的实施方式中，还包括设置于固溶-时效处理工序前的预处理，所述预处理为对钛合金进行打磨，打磨后在清洗溶剂中进行超声清洗，干燥即可。
一种钛合金，所述钛合金根据前述用于增强钛合金合金耐磨性的处理方法制备获得。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本发明所提供的用于增强钛合金表面的处理方法，通过采用特定类型、特定硬度的钛合金基体，采用500-600℃的低热氧化处理温度保温2-5h，待钛合金与炉中空气中的氧气发生化学反应，在钛合金表面形成一层氧化层，从而获得高耐磨性的表面改性钛合金。有效解决了现有技术由于过高的热处理温度会降低基体硬度和机械性能，本申请的方法能够在小于700℃的热处理温度下制备出高耐磨性的钛合金同时不会产生过厚的氧化层，为设计和制备钛合金自润滑关节轴承提供新方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施1-4中处理方法制备得到的钛合金的硬度情况；
图2为本发明实施1-4中处理方法制备得到的钛合金表面的氧化层的情况；
图3为本发明所提供的处理方法在500℃温度下热氧化处理的Ta2、TC4和Ti44528S钛合金表面形貌和成分；
图4为本发明所提供的处理方法在500℃温度下热氧化处理的Ta2、TC4和Ti44528S钛合金在不同载荷下的磨损量情况；
图5为本发明所提供的处理方法在500℃温度下热氧化处理的Ta2、TC4和Ti44528S钛合金在不同频率下的磨损量情况；
图6为本发明所提供的处理方法在500℃温度下热氧化处理的Ta2、TC4和Ti44528S钛合金在不同载荷下的磨损截面情况；
图7为本发明所提供的处理方法在500℃温度下热氧化处理的Ta2、TC4和Ti44528S钛合金在不同频率下的磨损截面情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
当以范围、优选范围、或者优选的数值上限以及下限的形式表述某个量、浓度或其它值或参数的时候，应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围，而不考虑该范围是否具体揭示。除非另外指出，本文所列出的数值范围值在包括范围的端点，和该范围之内的所有整数和分数。
除非另外说明，本文中所有的百分比、份数、比值等均是按重量计。
本文的材料、方法和实施例均是示例性的，并且除非特别说明，不应理解为限制性的。
下述实施例中，各个原材料均可以商业途径购买获得，其中钛合金为β型钛合金，且β相的占比大于10％，本实施例具体选用β型钛合金Ti44528S，具体成分为：Al：3.5-4.5％，V：3.5-4.3％，Cr：4.5-5.5％，Fe：1.5-2.5％；Mo：7.2-8.2％，Zr：0.5-1.5％，Si：0.15-0.25％，O：0.1-0.2％，其余为Ti；其β相稳定元素的含量为16.7-20.5％，其硬度为35HRC。
下述实施中，其中α型钛合金Ta2中不含有β相稳定元素，其中α+β型钛合金TC4中β相稳定元素占比为4％。
下述实施例中采用的测试方法包括了：
通过分别测试各试验样品的主要性能，来体现耐磨性能；本申请中所测试的主要性能有硬度、表面形貌和成分、摩擦磨损等。
实施例1
本发明所提供的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，包括如下步骤：
1)预处理；
将钛合金采用400、800、1200、2000目的砂纸进行打磨，打磨后在酒精中超声清洗15min，干燥待用；
1)热处理；
热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为820℃，时间为20分钟，水冷；时效处理的温度为460℃，时间为24小时，空冷；通过金属洛氏硬度试验测试钛合金的硬度为45HRC。
3)热氧化反应；
将经过时效-固溶处理后的钛合金放入瓷舟中，马弗炉内环境为空气，热处理温度提升速度设置5℃/min直至400℃，且在400℃下保温2h/5h，最后随炉冷却，即可。
实施例2
本发明所提供的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，包括如下步骤：
1)预处理；
将钛合金采用400、800、1200、2000目的砂纸进行打磨，打磨后在酒精中超声清洗15min，干燥待用；
2)热处理；
热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为820℃，时间为20分钟，水冷；时效处理的温度为460℃，时间为24小时，空冷；通过金属洛氏硬度试验测试钛合金的硬度为45HRC。
3)热氧化反应；
将经过时效-固溶处理后的钛合金放入瓷舟中，马弗炉内环境为空气，热处理温度提升速度设置5℃/min直至500℃，且在500℃下保温2h/5h，最后随炉冷却，即可。
实施例3
本发明所提供的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，包括如下步骤：
1)预处理；
将钛合金采用400、800、1200、2000目的砂纸进行打磨，打磨后在酒精中超声清洗15min，干燥待用；
2)热处理；
热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为820℃，时间为20分钟，水冷；时效处理的温度为460℃，时间为24小时，空冷；通过金属洛氏硬度试验测试钛合金的硬度为45HRC。
3)热氧化反应；
将经过时效-固溶处理后的钛合金放入瓷舟中，马弗炉内环境为空气，热处理温度提升速度设置5℃/min直至600℃，且在600℃下保温2h/5h，最后随炉冷却，即可。
实施例4
本发明所提供的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，包括如下步骤：
1)预处理；
将钛合金采用400、800、1200、2000目的砂纸进行打磨，打磨后在酒精中超声清洗15min，干燥待用；
2)热处理；
热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为820℃，时间为20分钟，水冷；时效处理的温度为460℃，时间为24小时，空冷；通过金属洛氏硬度试验标准测试钛合金的硬度为45HRC。
3)热氧化反应；
将经过时效-固溶处理后的钛合金放入瓷舟中，马弗炉内环境为空气，热处理温度提升速度设置5℃/min直至700℃，且在700℃下保温2h/5h，最后随炉冷却，即可。
本发明对实施例1-实施例4制备得到的钛合金的硬度和氧化层的厚度进行测试，其中钛合金的硬度测试结果如图1所示，从图中可以看出，未热氧化处理钛合金硬度约45HRC(即经过固溶-时效处理时的)，400～500℃热氧化处理后硬度略有上升最高达到49HRC，600℃热氧化处理后硬度下降至43HRC左右，700℃热氧化处理后硬度最低约38HRC，相同处理温度下2h和5h处理的钛合金硬度差别很小，上述结果表明热氧化处理温度对Ti44528S钛合金基体硬度影响很大，700℃以上会大幅度降低钛合金基体硬度。
其中钛合金的厚度测试结果如图2所示，从图中可以看出，Ti44528S钛合金热氧化处理后的截面SEM形貌，从图中可以看出400～600℃热氧化处理的钛合金截面都没有观察到明显的氧化层，700℃热氧化处理的钛合金截面能观察到很薄的氧化层分层，厚度约3.5μm。即本申请中的钛合金通过采用特定类型的钛合金材料，使得制备得到的钛合金在低温下500℃下得到高硬耐磨性且薄的氧化层(低于700℃)，保证了其具有优异的力学性能，同时使得该钛合金获得了优异的耐磨性能。
对比例1
本对比例所提供的用于增强镁合金表面耐磨性的处理方法，其方法与实施例基本相同，不同之处在于将β型钛合金Ti44528S替换成α型钛合金Ta2。
对比例2
本对比例所提供的用于增强镁合金表面耐磨性的处理方法，其方法与实施例基本相同，不同之处在于将β型钛合金Ti44528S替换成α+β型钛合金TC4。
性能测试：
本发明以实施例2为例，对实施例2、对比例1-2制备得到的钛合金进行性能测试，具体为：
1)表面形貌和成分的测试；
本发明对在500℃温度下热氧化处理的Ta2、TC4和Ti44528S钛合金表面形貌和成分进行测试分析，结果如图3所示，从图中可以看出三种钛合金表面都是淡蓝色，说明钛合金表面都产生了氧化层，Ta2钛合金表面O元素最多约36％，而TC4和Ti44528S钛合金表面O元素含量比较相近约为17-20％。
2)摩擦损耗测试
本发明通过摩擦试验根据ASTM G133-05标准采用球-盘往复试验，试验设备为CETR UMT-3多功能摩擦磨损试验机，试验条件为载荷5-30N，往复频率为1-3Hz，往返摆动一次的行程为12mm，试验时间30min，试验上试样是GCr15钢球，硬度约为61HRC，直径9.525mm，三种钛合金(Ta2、TC4和Ti44528S钛合金)在不同工况下的磨损体积和磨痕截面如图4、图5、图6和图7所示，从图中可以看出三种钛合金在5N以下的磨损程度都很小，Ta2和TC4钛合金随着载荷的增加磨损程度快速增加，30N时Ta2的磨损量约是TC4的2倍，而Ti44528S钛合金在20N以下的载荷条件下几乎没有磨损，从其磨痕的截面也可以观察到钛合金基体基本没有破损，Ti44528S钛合金的承载能力比其他两种钛合金提高了4倍以上，而几种频率下Ta2和TC4钛合金的磨损量都小于0.2，说明频率对这两种钛合金的磨损量影响较小，当频率小于2Hz时Ti44528S钛合金同样没有破损，而增加到3Hz后Ti44528S钛合金产生了磨损，磨损程度和其他两种钛合金相近，上述结果表明钛合金材料中的β相稳定元素的占比对热氧化处理钛合金耐磨性有明显影响，在钛合金材料中的β相稳定元素的占比大于10％时，经热处理提升硬度后于500℃热氧化处理能够显著提升钛合金耐磨性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，其特征在于，将钛合金置于500-600℃的温度下维持2-5h进行氧化反应。
2.根据权利要求1所述的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，其特征在于，所述钛合金为β型钛合金，β相稳定元素的占比大于10％。
3.根据权利要求1所述的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，其特征在于，所述β型钛合金在进行氧化反应前，先经过热处理，直至β型钛合金的基体硬度大于40HRC。
4.根据权利要求3所述的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，其特征在于，所述热处理包括固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为820℃～950℃，时间为20-60分钟，水冷；所述时效处理的温度为380-550℃，时间为2-24小时，空冷，即可。
5.根据权利要求4所述的用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法，其特征在于，还包括设置于固溶-时效处理工序前的预处理，所述预处理为对钛合金进行打磨，打磨后在清洗溶剂中进行超声清洗，干燥即可。
6.一种钛合金，其特征在于，所述钛合金根据权利要求1-5中任一项所述用于增强钛合金合金耐磨性的处理方法制备获得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202410312544.5A CN118147571A (zh) | 2024-03-19 | 2024-03-19 | 用于增强钛合金表面耐磨性的处理方法 |
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| CN (1) | CN118147571A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118726879A (zh) * | 2024-09-04 | 2024-10-01 | 内蒙古工业大学 | 一种Ti-6Al-4V钛合金及其热处理工艺 |
-
2024
- 2024-03-19 CN CN202410312544.5A patent/CN118147571A/zh active Pending
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