一種鈦合金超聲刀表面強化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬表面工程領域，尤其是涉及一種鈦合金超聲刀表面強化方法。
【背景技術】
[0002]鈦合金是目前使用的材料中比強度最高的材料之一，它具有一系列優(yōu)異特性，如優(yōu)良的耐腐蝕性、低溫穩(wěn)定特性、擁有良好的生物相容性等，使其在航空航天、海工化工、生物醫(yī)學及民用工業(yè)等領域發(fā)揮著巨大的作用。且鈦礦藏豐富，占地殼重量0.6%，僅次于鋁、鐵、鎂三種金屬，占據(jù)地殼金屬元素豐度的第四位，我國目前已成為鈦工業(yè)大國。但由于鈦合金的耐磨性差、高溫使用性能不足、在某些還原性介質中耐蝕性弱等缺陷，嚴重制約了鈦工業(yè)的發(fā)展，與西方發(fā)達國家相比，我國鈦工業(yè)仍需加大發(fā)展力度，促使向鈦工業(yè)強國轉變。為此，國內進行了大量的研究工作，來提高鈦合金基體性能和表面性能。
[0003]橡膠切割用鈦合金超聲刀的原理與傳統(tǒng)意義上的機械切割刀完全不同。超聲波切割的原理是通過超聲波發(fā)生器將50Hz電能轉換成40KHz電能，再通過磁致伸縮換能器將電能轉換成為同等頻率的機械(振動)能，隨后機械振動通過一套可以改變振幅的調幅器裝置傳遞到切割刀。切割刀將接收到的振動能量傳遞到待切割工件的切割面，切割刀口的振動能量激活(加熱)橡膠材料，并割裂橡膠材料的分子鏈，從而實現(xiàn)對膠料的切割。但通常橡膠切割用鈦合金超聲刀在工作過程中由于表面磨損導致粗糙度增大而使切割過程中與橡膠材料產(chǎn)生粘連，引起超聲刀工作過程中受到側向力的作用，而導致刃口受力狀態(tài)失衡，產(chǎn)生卷刃、崩刃，甚至斷裂失效。所以，通過表面強化可有效改善工作狀態(tài)，從而提高橡膠切割用鈦合金超聲刀的使用壽命。
[0004]中國專利CN102965613A公布了一種鈦合金低溫表面滲氮，屬于金屬表面熱處理改性技術領域，先將鈦合金表面先進行噴砂清洗，然后進行化學機械研磨、拋光，同時將粉末狀晶體氰酸鈉(NaCNO)和顆粒狀晶體氰酸鉀(KCNO)與稀土 CeO2粉末按一定比例混合后制成滲氮試劑，將此試劑與處理后的鈦合金材料放入到坩禍內壓實并密封后烘干，然后將坩禍放入到高溫爐內進行加熱的一種表面化學熱處理工藝方法。其采用滲氮試劑，并利用熱處理方法來進行滲氮，一方面滲氮劑所需原料不易取得，另外熱處理工藝操作復雜，反應條件要求高。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服橡膠切割用鈦合金超聲刀耐磨性能差、抗氧化能力不足、服役壽命短等方面的缺陷，通過對橡膠切割用鈦合金超聲刀表面進行氮化處理，形成表面耐磨損、抗高溫氧化的TiN和??2Ν化合物保護層，增強超聲刀耐磨損能力和抗高溫氧化能力，從而提高其服役壽命，而且工藝簡單，成本較低。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0007]—種鈦合金超聲刀表面強化方法，包括以下步驟:
[0008](I)鈦合金超聲刀表面機械加工、磨削拋光；
[0009](2)將達到表面粗糙度要求的鈦合金超聲刀清洗、干燥；
[0010](3)將鈦合金超聲刀放入離子氮化爐內進行氮化處理。
[0011 ] 磨削拋光后鈦合金超聲刀的表面粗糙度要求Ra〈0.8μπι。
[0012]所述的清洗方法為:依次使用丙酮、無水乙醇、蒸餾水超聲清洗，超聲頻率80Hz，每種洗滌溶液中超聲清洗時間為1?20min。
[0013]所述的干燥環(huán)境為氮氣無塵環(huán)境，干燥溫度為室溫。
[0014]氮化處理工藝參數(shù)包括:以鈦合金超聲刀工件為陰極，陽極與真空殼體連接接地，在陰陽兩極之間接入直流電，形成高能電場;為保證氮源氣體離化后氮離子對工件的高效撞擊，極間距選擇為30?50mm，陰極偏壓小于等于300V;為避免由于氧存在引起鈦合金的氧化，離子氮化爐內經(jīng)過氬氣洗氣除氧后抽真空至真空壓力<5Pa;離子氮化爐內填充氣體介質為成本相對更低的NH3作為氮源更符合本發(fā)明所述鈦合金超聲刀成本的經(jīng)濟性;為保證氣體環(huán)境的穩(wěn)定和高離化率，氣體流量為300?400L/h，氮化壓力為80?120Pa;為保證氮離子與Ti充分反應，選擇氮化溫度800?10000C，同時避免氮化時間過短氮化層過薄或時間過長氮化減弱造成的NH3浪費，使用氮化時間3?7h;氮化處理完成后，鈦合金基體在氬氣環(huán)境下隨爐冷卻至室溫后出爐，避免高溫氧化現(xiàn)象。
[0015]氮化處理的原理為:通過通入含氮氣體介質，提供生成TiN和Ti2NK需要的氮源；在兩極間的直流高壓作用下，被電離發(fā)生輝光放電，放電過程中氮離子和氫離子在高壓電場的作用下，沖向陰極鈦合金超聲刀表面，同時氮的離子或原子被鈦合金超聲刀表面所吸附，并迅速擴散，形成一定厚度的氮化層，而電離出的氫離子到達鈦合金超聲刀表面后有助于去除鈦合金超聲刀表面的氧化膜，提高了離子氮化的質量。
[0016]所述的鈦合金超聲刀尤其適用于橡膠切割用鈦合金超聲刀。
[0017]鈦合金的表面處理方法主要有離子滲氮、鍍膜、離子注入等。鍍膜膜層較?。浑x子注入操作復雜，成本高，而且對工藝要求嚴格，限制了工業(yè)應用。而本發(fā)明采用的滲氮作為最常用的表面改性工業(yè)生產(chǎn)方法之一，有著成本少，滲速快，工件變形小，組織成分容易控制等優(yōu)點，且生成的氮化層具有硬度高、耐磨性好、抗氧化能力強、高溫穩(wěn)定性能優(yōu)良的特點，有效的改善了鈦合金工業(yè)應用性能。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:在鈦合金超聲刀表面形成一層化合物和N的擴散固溶層，化合物的成分主要為TiN和Ti2N,其硬度與未離子氮化處理鈦合金基體相比提升2?3倍，耐磨損能力提高8?25倍;具有耐磨損、抗氧化能力強、高溫穩(wěn)定性好的特點。
【附圖說明】
[0019]圖1為經(jīng)過本發(fā)明強化方法處理后的鈦合金超聲刀結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0021]實施例1
[0022]一種橡膠切割用TC4鈦合金超聲刀表面強化方法，采用LD2-50型離子氮化爐設備氮化處理超聲刀表面，通過通入含氮氣體介質，提供生成TiN所需要的氮源;在兩極間的直流高壓作用下，被電離發(fā)生輝光放電，放電過程中氮離子和氫離子在高壓電場的作用下，沖向陰極鈦合金超聲刀表面，同時氮的離子或原子被鈦合金超聲刀表面所吸附，并迅速擴散，形成一定厚度的氮化層，而電離出的氫離子到達鈦合金超聲刀表面后有助于去除鈦合金超聲刀表面的氧化膜，提高了離子氮化的質量。主要工藝包括如下步驟:
[0023](I)使用去除材料加工的方法，將TC4鈦合金板材加工成要求的橡膠切割用TC4鈦合金超聲刀，磨削拋光后表面粗糙度達到Ra〈0.8ym;
[0024](2)將橡膠切割用TC4鈦合金超聲刀依次放入丙酮、無水乙醇、蒸餾水中超聲清洗，去除表面加工留下的油污，每次超聲清洗時間為15min，超聲儀設置頻率為80Hz，再用氮氣常溫吹干；
[0025](3)將橡膠切割用TC4鈦合金超聲刀放入離子氮化爐進行離子氮化處理，主要工藝參數(shù)包括極間距為30mm，陰極偏壓250V，經(jīng)過氬氣洗氣除氧后真空壓力0.1Pa，氣體介質為NH3，氣體流量為350L/h，氮化