技術(shù)背景 鋯合金在地殼中儲(chǔ)量豐富，鋯的中子吸收截面小、抗輻照、抗腐蝕性好，在核工業(yè)和化學(xué)工業(yè)中獲得了的重要應(yīng)用。目前使用的鋯合金強(qiáng)度較低，盡管高強(qiáng)度鋯合金開發(fā)方面已取得很大進(jìn)展，一些具有優(yōu)異力學(xué)性能的鋯合金已被開發(fā)出來，但其表面硬度和耐磨性仍不能滿足使用要求，尚待進(jìn)一步提高。表面強(qiáng)化是提高材料表面硬度和耐磨性的最有效手段。因此需探索鈦合金的化學(xué)熱處理強(qiáng)化方法，從而有效地提高其表面硬度和耐磨性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠鋯鈦合金表面硬度和耐磨性的鋯鈦合金雙輝等離子滲氮的表面強(qiáng)化方法。本發(fā)明是在離子滲氮的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要是采用鋯鈦合金本身或金屬鋯作為輔助源極靶材對(duì)鋯鈦合金進(jìn)行雙輝等離子滲氮，新增的輔助源極提供與工件極不等位的電位，他們之間形成不等位的“空間陰極效應(yīng)”，極大的提高了兩者的電流，有利于快速升溫并達(dá)到更高的溫度，使氣體離化率也得到顯著提高，在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)可在該鋯鈦合金表面形成大量高硬相的氮化物，使該合金表面的硬度和耐磨性得到顯著提高。

本發(fā)明的方法包括以下步驟：

(1)將原始態(tài)鋯鈦合金用線切割加工成所需的尺寸；所述原始態(tài)鋯鈦合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Zr46Ti44Al5V5；

(2)將鋯鈦合金用砂紙打磨至鏡面，打磨處理后用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，隨后浸泡在無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗20min；

(3)將清洗后的待滲鋯鈦合金作為工件極，除銹后的金屬鋯或鋯鈦合金作為輔助源極，置于雙輝等離子表面冶金爐中，通過調(diào)整支架使輔助源極與工件極之間的間距為15mm～20mm，抽真空至4Pa以下，再次向爐內(nèi)充入氮?dú)馐範(fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到300Pa，再次抽氣，重復(fù)兩次，減少爐內(nèi)可能殘余的氧氣；

(4)將爐內(nèi)氣壓控制在90～130Pa，打開工件極電源，將工件極電壓調(diào)整至200～300V，保持10min，目的在于對(duì)鋯鈦合金表面進(jìn)行清洗，隨后將工件極電壓調(diào)整至600～650V，源極電壓調(diào)整至900～950V，進(jìn)行雙輝等離子滲氮，使鋯鈦合金表面溫度升至750～850℃，雙輝等離子滲氮時(shí)間為5h；

(5)滲氮結(jié)束后，待爐體緩慢冷卻至室溫，取出鋯鈦合金，雙輝等離子滲氮完成。

本發(fā)明與需要技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)與離子滲氮相比較，雙輝等離子滲氮可在較低的氣壓和較短時(shí)間內(nèi)在鋯鈦合金表面形成較厚的有效滲層；

(2)采用雙輝等離子滲氮可使該合金表面硬度由原來的400HV提高到900HV以上，提高一倍以上，且最佳滲層厚度能達(dá)到450μm左右；

(3)使用該方法獲得的滲層，對(duì)鋯鈦合金表面的強(qiáng)化效果顯著，使該合金表面摩擦系數(shù)降低，與未經(jīng)過滲氮處理的鋯鈦合金相比較其磨損失重?fù)p失較少，耐磨性得到顯著提高。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1得到的鋯鈦合金滲層金相顯微組織圖；

圖2是實(shí)施例2得到的鋯鈦合金滲層金相顯微組織圖；

圖3是實(shí)施例3得到的鋯鈦合金滲層金相顯微組織圖；

圖4是實(shí)施例3得到的鋯鈦合金滲層橫截面硬度梯度變化圖；

圖5是實(shí)施例3得到的滲氮后鋯鈦合金與未經(jīng)過滲氮處理的原鋯鈦合金摩擦系數(shù)對(duì)比圖；

圖6是實(shí)施例3得到的滲氮后鋯鈦合金與未經(jīng)過滲氮處理的原鋯鈦合金磨損失重對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

將原始態(tài)的Zr46Ti44Al5V5鋯鈦合金加工切割成的試樣；將試樣分別用150#～3000#的SiC砂紙打磨并拋光至鏡面；將拋光后的試樣浸泡在無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗20min，去除表面氧化物和污漬，吹干待用；將試樣置于雙輝等離子表面冶金爐中，通過調(diào)整支架將源極與工件極之間的距離調(diào)整在15mm，抽真空至3Pa，再次向爐內(nèi)充入氮?dú)馐範(fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到300Pa，再次抽氣，重復(fù)兩次，減少爐內(nèi)可能殘余的氧氣，將爐內(nèi)氣壓控制在90Pa，打開工件極電源，將工件極電壓調(diào)整至200V，保持10min，目的在于對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗；隨后將工件極電壓調(diào)整至600V，源極電壓調(diào)整至900V，進(jìn)行雙輝等離子滲氮，當(dāng)溫度升至750℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫時(shí)間5h；隨爐冷卻至室溫，鋯鈦合金表面能形成約80um有效滲層。圖1所示的表層白亮部分為高硬度滲層。

實(shí)施例2

將原始態(tài)的Zr46Ti44Al5V5鋯鈦合金加工切割成的試樣；將試樣分別用150#～3000#的SiC砂紙打磨并拋光至鏡面；將拋光后的試樣浸泡在無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗20min，去除表面氧化物和污漬，吹干待用；將試樣置于雙輝等離子表面冶金爐中，通過調(diào)整支架將源極與工件極之間的距離調(diào)整在18mm，抽真空至3Pa，再次向爐內(nèi)充入氮?dú)馐範(fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到300Pa，再次抽氣，重復(fù)兩次，減少爐內(nèi)可能殘余的氧氣，將爐內(nèi)氣壓控制在110Pa，打開工件極電源，將工件極電壓調(diào)整至250V，保持10min，目的在于對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗；隨后將工件極電壓調(diào)整至630V，源極電壓調(diào)整至930V，進(jìn)行雙輝等離子滲氮，當(dāng)溫度升至800℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫時(shí)間5h；隨爐冷卻至室溫，鋯鈦合金表面能形成約220um有效滲層。圖2所示的表層白亮部分為高硬度滲層。。

實(shí)施例3

將原始態(tài)的Zr46Ti44Al5V5鋯鈦合金加工切割成的試樣；將試樣分別用150#～3000#的SiC砂紙打磨并拋光至鏡面；將拋光后的試樣浸泡在無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗20min，去除表面氧化物和污漬，吹干待用；將試樣置于雙輝等離子表面冶金爐中，通過調(diào)整支架將源極與工件極之間的距離調(diào)整在20mm，抽真空至3Pa，再次向爐內(nèi)充入氮?dú)馐範(fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到300Pa，再次抽氣，重復(fù)兩次，減少爐內(nèi)可能殘余的氧氣，將爐內(nèi)氣壓控制在130Pa，打開工件極電源，將工件極電壓調(diào)整至300V，保持10min，目的在于對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗；隨后將工件極電壓調(diào)整至650V，源極電壓調(diào)整至950V，進(jìn)行雙輝等離子滲氮，當(dāng)溫度升至850℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫時(shí)間5h；隨爐冷卻至室溫，鋯鈦合金表面能形成約420um有效滲層。圖3所示的表層白亮部分為高硬度滲層。

對(duì)滲氮后的鋯鈦合金進(jìn)行硬度和真空下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)選取未經(jīng)過滲氮處理的相同材質(zhì)的并經(jīng)過打磨、拋光的鋯鈦合金進(jìn)行對(duì)比，摩擦磨損過程中加載的力均為20N、磨損時(shí)間1h，滲氮后的鋯鈦合金表面硬度能達(dá)到950HV以上，其摩擦磨損系數(shù)由未經(jīng)過滲氮處理的鋯鈦合金的0.43降低到滲氮后的0.24，磨損失重由未經(jīng)過滲氮處理的鋯鈦合金的7.1mg降低到滲氮后的1.5mg，如圖4、圖5和圖6所示。