如何提高TC11合金管、钛合金材料的硬度及耐磨性

钛合金渗碳在表面上生成TiC相,具有非常髙的硬度。但是TiC层与基体的结合力很差，妨碍实际使用。温度过高会使碳化钛晶粒长大速度加快：

1、烧结温度。碳化钛高锰钢结硬质合金的最终烧结温度一般取1420℃较合适。烧结温度不宜过高。甚至使粘结相变成液相金属流失，从而使硬质相发生邻接、聚集并长大，形成碎裂源。这就是前面分析的硬质相晶粒之间的粘结相变少的原因。当然烧结温度也不能过低，否则会使合金欠烧。特别是脱胶、还原和液相烧结的3个阶段中。

2、烧结时的升温速度。此类合金烧结时升温加热速度不宜快。要严格控制升温速度和保温时间。因为在低温脱胶阶段，压坯释放压制应力和成形剂挥发的过程，若升温速度快，则因成形剂来不及挥发而液化后变成蒸汽，使压坯发生爆裂或微裂现象；900℃以上的还原阶段，要让压坯有足够的时间脱去所用原料粉末(如Mn2Fe中间合金)中的挥发物和氧；进入液相烧结阶段时，也要放慢升温速度才干使压坯充分合金化。

钛在高温下会与氧,氮等气体发生反应，引起硬化，高温下（800-900度）进行氮化处理，使其表面维氏硬度高达700以上；通过堆焊，在氩气中同入适量的氮气或者氧气，使其表面硬度可以提高2—3倍；通过离子电镀，使其表面生成一层氮化钛，厚度在5微米左右，表面维氏硬度竟然高达16000—20000；镀铬等。在渗氮时可能形成各种不同的区，如果氧含量不髙，形成由氮化钛组成的外区，具有金黄色并且硬度为14000-17000MPa，可是这种氮化钛层很傅因较低的氮化温度时或者继而进行髙温加热(退火）时，氮就完全溶解到金属表面的钛固溶体里去了，激化钛层不再增加或者在某个热处理工序中消失因此，在发现氮化钛层时钛固溶体层巳经溶解到氮中去了这层也具有高的硬度，但是芯部硬度降低。在采用氨气进行渗氮时，由于渗透氢的作用而出现附加的组织变化。氮化钛坚硬而导电氮化钛的生成热超过所有的氧化钛。因此也必须注意，要在完全脱除氧的条件下进行渗氮处理。钛同氮随着时间按照抛物线规律进行表面反应。因此,渗氮速度随着渗氮时间的增加而减低。因为氮在外氮化钛层中的扩散速度小于下面的钛固溶液体区的扩散速度，而不可能形成厚氮化层，氮或氨必须具有较髙的纯度。因为氧不仅妨碍氮化层的形成，而且还能在较髙温度条件下引起表面层除去氧化皮，水分的含量（湿度）必须最少达到这样的程度，即使之达到的熔点。

钛表面渗硼生成TiB2相，硬度也很高。据文献报道，将酸洗后的钛零件包埋在无定型硼粉和A1203粉各半的混合粉末（其中加有0.75%-1.0%的NH4F*HF)中，在1010度保温1小时,即可生成TiB2层。在上述条件下,该涂层的厚度依合金不同而异，工业纯钛上生成的涂层厚度为25p,TC4钛合金上形成厚度为20um，硬度在HV2800-3450的范围。渗硼的温度要求高,这使其应用受到一定限制。如果先在钛板上电镀铁，之后进行硼化，可以降低硼化温度到870度,镀层厚度可达40um，硬度可到HV2300。由于钛也与氮反应,因此必须用氩气作为载体。假如用氧/氮混合气体(空气)作为氧源,那在氧的扩散温度(约850℃)就会形成足够的氮化物它会减小氧的扩散。为了优化氧扩散层的深度和分布,氧的浓度需足够高,以产生最大扩散速率。但它不能高至形成一连续的表面氧化膜,据报道,它会阻挡扩散。

表面硬化的目的是提高耐磨性，并消除在摩擦条件下工作的零件发生相互黏附的危险性。在硬度提高的同时，有可能耐蚀性能及疲劳强度也有所提高。这里首先关注表面硬度的提高,关注工艺本身及其对表面硬度提高的影响。表面硬化应在一压力保护气氛的炉子中进行并很好地控制,它可方便地改变处理结束时的气体成分,以生成均匀的无气孔金红石层。其结果类似于TO工艺处理。这样它以一步方式进行了复式处理,更不需如BDO/TO组合处理那样的三步,从而显著节能。此工艺仅用完全惰性气体———氩气和氧气,因而十分环保,无毒气,不会引起全球温室效应。虽然工艺很好,但真空处理费用昂贵,且氧化/扩散二步处理中有明显的控制问题。即使在真空中的扩散时间固定不变,第一步中形成氧化物含量的微小变化,也会引起其最后硬度分布的显著不同。