專利名稱：增強Ti合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增強Ti合金以提高其耐磨性的方法。
為增強Ti合金材料以獲得耐磨性和抗擦痕性能，已開發(fā)了許多種方法。例如，日本專利公開62-256956中公開了在Ti合金表面形成氧化物。日本專利公開61-81505中公開了在表面形成氮化物。日本專利2,909,361中公開了通過滲碳過程使碳原子擴散進入Ti合金。
前述方法中Ti合金材料的耐磨性和抗擦痕性能得到了改善，但其表面太硬，以致于不同部件接合時很可能會受到?jīng)_擊。
編號為2001-25415的日本專利申請公開了一種Ti合金提升閥，其中形成了Ti-O和Ti-C固溶體，并公開了一種制造Ti合金提升閥的方法，該方法包括以下步驟在一臺等離子體真空爐中在低于β轉(zhuǎn)變點的溫度下加熱Ti合金提升閥，在所述的真空爐中含有低于形成氧化鈦的化學(xué)計量的氧氣以擴散O原子和C原子而形成O和C擴散層，所述擴散層中含有Ti-O和Ti-C固溶體從而增強提升閥的閥體。
為擴散O原子和C原子，在低于形成氧化鈦的化學(xué)計量的氧氣存在下，在約800℃的溫度下進行熱處理。在一種用于離子化滲碳或等離子體滲碳的氣體存在下，進行輝光放電，而所供給的氧氣量低于形成氧化鈦的化學(xué)計量。這樣形成的氧/碳擴散層不僅提高了耐磨性和抗擦痕性能，而且減弱了其沖擊其它部件的性質(zhì)。
但是，如前所述，熱處理是在一臺等離子體真空爐中，在氧氣的存在下進行，而通過輝光放電進行復(fù)雜的等離子體滲碳過程。另外，必須在等離子體真空爐中使用一種真空放電裝置和等離子體電源，從而增加了成本。發(fā)明簡述考慮到現(xiàn)在技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的一個目的是提供一種增強Ti合金的方法，該方法不形成氧化鈦而擴散氧原子和碳原子。
按照本發(fā)明，提供了一種增強Ti合金的方法，該方法包括在一臺加熱爐中，在CO2氣氛中、600-900℃的溫度下加熱Ti合金，使C原子和O原子擴散進入Ti合金中。
Ti合金包括α合金，如Ti-5Al-2.5Sn；近α合金，如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(本文稱作“Ti6242”)和Ti-8Al-Mo-V；α-β合金，如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo；和β合金，如Ti-13V-11Cr-3Al和Ti-15Mo-5Zr-3Al。優(yōu)選使用Ti6242。
在熱處理中，將Ti合金置于一臺加熱爐中，用CO2吹掃爐內(nèi)的空氣。在CO2氣氛中，在600-900℃，優(yōu)選800-850℃的溫度下加熱。
低于600℃時碳原子的擴散速度太慢，這對成本是不利的。高于900℃時形成氧化物層，且溫度高于Ti的β轉(zhuǎn)變點從而改變其結(jié)構(gòu)，這是不可取的。
在熱處理中，為補充由于碳原子和氧原子進入Ti合金而損耗的CO2并維持爐內(nèi)的CO2氣氛，可以持續(xù)地將CO2加入加熱爐中。進氣速率可以為0.5-3.0升/分鐘(l/min)，優(yōu)選1.0-2.5l/min。
在CO2中的處理時間影響耐磨性或硬度，處理時間可以優(yōu)選為1-3小時。通過熱處理，O原子和C原子擴散至離表面25-50μm的深度處，表面硬度為HV550-1000。
當用Ti合金制造汽車內(nèi)燃機中的提升閥時，適宜的Vicker硬度為HV700-850。由本發(fā)明方法處理的閥不僅具有耐磨性和抗擦痕性能，而且其沖擊其它部件的性質(zhì)被減弱。


圖1是該樣品一部分的顯微照片。如顯微照片中所示，氧原子和碳原子被引入到一定的深度。
圖2是顯示由電場輻射型俄歇(Auger)電子能譜儀在各個深度測量的氧原子和碳原子濃度的平均值的曲線。圖中橫坐標軸代表距離樣品表面深度，縱坐標軸代表氧原子和碳原子的濃度(原子％)。濃度單位“原子％”指氧原子和碳原子占分析的總原子數(shù)的比率。該曲線顯示了在樣品的擴散層中的氧原子和碳原子。
用X射線微衍射儀進行的X射線衍射能識別TiC，但不會發(fā)現(xiàn)氧化鈦。因此，氧原子不與鈦結(jié)合，而仍然保持原子狀態(tài)。碳原子部分與鈦結(jié)合形成TiC，但剩余的是以碳原子形式擴散。
由Shimazu公司制造的Micro-Vickers硬度檢測器測量如此制得的樣品的分區(qū)硬度。圖3示出了硬度分布。橫坐標軸代表距離表面的深度(μm)，縱坐標軸代表100gf下的硬度(HV)。該圖表明按照本發(fā)明的方法，直至50μm處硬度都得到了提高。
圖2和圖3證明由于存在氧原子和碳原子，使Ti合金的硬度增大。
如圖3所示，表面硬度為HV830。
表

在CO2氣氛中，在710-850℃加熱Ti6242 0.5-50小時，這樣就將O原子和C原子引入到Ti合金中而不會形成氧化物。
圖4是實施例3中處理的Ti合金提升閥的顯微照片，形成了O和C擴散層。
用在汽車內(nèi)燃機中的提升閥會經(jīng)歷惡劣的條件如高溫。這樣的一種提升閥需要硬度為HV 700-850。在實施例1、5和6中，需要樣品經(jīng)歷的條件為800℃下1-2小時。
如比較例1所示，850℃的溫度與實施例8和9相同，但其費時55小時達到HV1030的硬度。但該時間太長，從而在表面上形成了氧化層。變形很大，所以不合適。
在比較例2和3中，當溫度超過900℃時，表面硬度已足夠，但形成了一個厚氧化層而引起大的變形，這不適于實際應(yīng)用。
圖5是比較例2的提升閥的顯微照片，其中在O原子和C原子擴散層上形成了氧化層。
圖6示出了實施例1和3和比較例2中的Ti6242、未處理的Ti合金和擴散滲氮(tuftriding)處理的耐熱鋼的耐磨試驗結(jié)果。
為進行試驗，如圖7所示，將試件2與一個由Fe燒結(jié)的材料制成的閥導(dǎo)承1咬合。加載6kgf的垂直重量“W”，一邊在1和2之間加入潤滑油一邊將試件2來回滑動50小時。
由未處理的Ti6242制成的試件磨損最大，磨損按實施例3、實施例1、耐熱鋼和比較例2的次序依次減小。實施例1的磨損與耐熱鋼相當。由于表面強度的差異，實施例3的磨損大于實施例1。比較例2的磨損最小，這看來是由表面上的氧化層引起的。比較例2太硬，以致與其咬合的閥導(dǎo)承的磨損最大。
權(quán)利要求
1.一種增強Ti合金的方法，其包括以下步驟在一臺加熱爐中，在CO2氣氛中、600-900℃溫度下加熱Ti合金，以使碳原子和氧原子擴散進入Ti合金。
2.權(quán)利要求1所要求的方法，其中所述的方法進行0.5-50小時。
3.權(quán)利要求1所要求的方法，其中所述的方法在800-850℃的溫度下進行。
4.權(quán)利要求3所要求的方法，其中所述的方法進行1-3小時。
5.權(quán)利要求1所要求的方法，其中將CO2持續(xù)引入加熱爐中。
6.權(quán)利要求1所要求的方法，其中所述的方法在約800℃的溫度下進行1-2小時。
7.權(quán)利要求6所要求的方法，其中所述的Ti合金用來制造內(nèi)燃機的提升閥。
全文摘要
本發(fā)明提供一種增強Ti合金的方法，在一臺加熱爐中，在CO
文檔編號C23C8/06GK1407127SQ02106048
公開日2003年4月2日 申請日期2002年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月3日
發(fā)明者廣瀬正仁, 淺沼宏昭 申請人:富士烏茲克斯株式會社