Ti-6Al-4V合金渗硼层的组织研究 毕业论文.doc
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1、郑州大学毕业设计(论文)题 目:Ti-6Al-4V合金渗硼层的组织研究 The research of Ti-6Al-4V alloy boronization layer of the organization 指导教师: 职称: 副教授 学生姓名: 学号: 专 业: 材料科学与工程(金属材料) 院(系): 材料科学与工程学院 完成时间: 2012年6月3号 2012年 6 月 3 日摘 要钛合金具有较低的密度、较高的比强度以及其优良的耐蚀性能等而被广泛应用于航空航天、军工、车辆工程、生物医学工程和日常生活等各个领域。但由于其耐磨性较差、硬度低等缺点而限制了其使用。而金属硼化物具有优良的耐磨
2、性、耐蚀性等,并能显著提高金属表面硬度。因此本文着重介绍通过固体渗硼法对Ti-6Al-4V合金进行表面改性处理,从而提高其表面性能。渗硼工艺已经在世界范围内被广泛应用与改良金属表面性能,其可分为:固体粉末渗硼、盐浴渗硼、气体渗硼等。本文所用为固体粉末渗硼方法,采用正交试验,通过采用不同温度、不同渗硼时间以及不同的渗硼剂成分组成等不同条件,以确定不同渗硼工艺对渗硼层组织的影响。通过对材料进行金相制作,并进行金相组织观察和显微硬度测试等,发现在880,渗硼5h条件下有最厚的渗硼层组织,且此时硬度值较大。关键词:Ti-6Al-4V;渗硼层组织 AbstractTitanium alloy has l
3、ow density, high intensity and its good than such as corrosion resistance performance is widely used in aerospace, military industry, vehicle engineering, biomedical engineering and daily life, and other fields. But because the wear resistance is bad, the low hardness faults and limit its use. But t
4、he metal boron carbide has excellent wear resistance, corrosion resistance, etc, and can significantly improve the metal surface hardness. So in this paper through the solid boriding method of Ti-6Al-4V alloy surface modification processing, thus improve the surface properties.Boronizing process has
5、 been in the world scope is widely used and improving the metal surface properties, it can be divided into: solid powder boriding and salt bath boriding and gas permeability boron etc. .This paper used the boronizing method for solid powder, using the orthogonal experiment, by means of different tem
6、perature, different time and different boronizing the boronizing supply agent compositions and so on the different conditions, to determine the boronizing process on different boronization layer the influence of the organization.Through to the material metallographic production, and use the optical
7、microscope microstructure, and micro hardness on the surface of material test, found in 8800C, the boronizing 5 h condition has the thick boronization layer organization, and the hardness value is at large.Key words: Ti-6Al-4V;Boronization layer organization39目录摘 要iAbstractii1 绪论11.1 钛及钛合金概述11.1.1 钛
8、合金分类11.1.2 钛合金性能21.1.3 钛合金用途31.2 渗硼工艺概述31.2.1 渗硼历史发展31.2.2 渗硼工艺41.3 渗硼层组织形成61.4 研究内容72 实验条件和方法82.1 实验路线与方案82.2 实验材料与设备92.3 试样制作与渗硼92.4 试样金相制作、观察与显微硬度测试102.4.1 试样夹持102.4.2 打磨102.4.2 抛光112.4.3 腐蚀112.4.4 金相观察112.4.5 显微硬度测试113 实验结果和分析123.1 金相显微组织观察与分析123.1.1 金相组织观察123.1.2 金相组织分析123.2 渗硼层与过渡区厚度分析183.3 显微
9、硬度测试与分析194 结论21参考文献22附件1 郑州大学毕业设计(论文)任务书23附件2 郑州大学毕业论文开题报告表24附件3 郑州大学毕业论文计划进程表25附件4 郑州大学毕业论文中期检查表26附件5 郑州大学毕业论文成绩评定表27外文翻译28外文原文34致谢381 绪论1.1 钛及钛合金概述钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,目前钛及钛合金在航空航天、军工、车辆工程、生物医学工程和日常生活等领域内已经有非常大的应用范围并有着广阔的应用前景,因此其长期以来一直是材料领域的研究热点。纯净的钛是银白色金属,具有银灰色光泽,原子序数22,相对原子质量47.867。能在氮气中燃烧,熔点高,且密度低
10、、强度高,耐蚀性良好。钛元素在地壳中含量位居所有元素中第九位,在含量最丰富的结构金属中排第四位,仅次于铝、铁和镁。钛合金具有比强度高、抗蚀性优异等显著特性,因此具有较大的应用范围及应用前景。1.1.1 钛合金分类像许多其他金属(如Ca、Fe、Co、Zr、Sn和Ce)一样,钛也能结晶形成不同的晶体结构。在低温下,纯钛和大多数钛合金结晶成接近理想状态的密排六方结构(hcp),成为Ti。高温下,体心立方结构(bcc)的钛很稳定,则称为Ti。纯钛的转变温度为(882+2)。根据对转变温度的影响,钛的合金化元素可分为中性元素、相稳定化元素或相稳定化元素。相稳定化元素将相区扩展到更高的温度范围,而相稳定化
11、元素则使相区向较低温度移动。中性元素对转变温度的影响很小。这其中Al是最主要的相稳定化元素,而相稳定化元素可分为同晶型元素(如Mo、V和Ta)和共析性元素(如Fe、Mn、Cr、Cu、Si和H),而中性元素常用的为Zr、Sn。因此,钛合金根据退火组织可分为钛合金、钛合金、+钛合金(还包括含有少量相的近合金)。钛合金 退火组织为以钛为基体的单相图熔体的合金成为钛合金。这类合金中的合金元素主要为是稳定元素和中性元素,如铝、锡、锆,基本不含或只含很少量的稳定元素,强度很低。其主要特点是高温性能好,组织稳定,焊接性和热稳定性好,是发展耐热钛合金的基础,一般不热处理强化(Ti2Cu合金除外)。+钛合金 退
12、火组织为+相的合金称+两相合金。当稳定元素超过一定临界成分时,称为富的+钛合金;当稳定化元素低于临界成分时,称为贫的+钛合金。这类合金的特点是有较好的综合力学性能,强度高,可热处理强化,热压力加工性好,在中等温度下耐热性也比较好;但组织不够稳定。近钛合金 相中原子扩散快,易于发生蠕变。为了提高蠕变抗力,在(+)合金中,必须降低相的含量,因而发展出所谓近钛合金。这类钛合金中所含稳定元素一般小于2%,其平衡组织为相加少量相。这类合金具有最好的耐热性。钛合金 含稳定元素较多(17%)的合金称为合金。目前工业上应用的钛合金在平衡状态均为(+)两项组织,但空冷时,可将高温的相保持到室温,得到全组织。此类
13、合金有良好的变形加工性能。经淬火时效后,可得到很高的室温强度。但高温组织不稳定,耐热性差,焊接性也不好1。1.1.2 钛合金性能钛合金的性能主要取决于和两相的排列方式、体积分数、以及各自的性能。因此,综合来说,钛合金具有以下性能2:强度高 在所有的金属材料中,只有最高强度的钢的比强度高于钛合金。传统钛合金的屈服强度大多在8001200MPa之间,其中亚稳合金强度最高。通常通过三种措施提高钛合金强度:合金化、加工工艺和复合材料技术。比强度高 钛合金的比重小、强度高,因此其比强度较高。表1.13为钛合金与常用合金比强度,其中钛合金最高:表1.1 几种常见合金比强度值合金镁合金铝合金高强钢钛合金Ti
14、-6Al-4V30钢LY12铝合金比强度/X105cm1621232926.414.115.416.7抗腐蚀性优异 钛是极活泼的元素,极易与氧发生反应生成TiO2。微米级钛粉在常温下就容易吸氧自燃。但是,钛表面所生成的几个到几十个纳米的氧化膜极其完整致密, 具有遭局部破坏后在瞬间自修复的能力,并且在大多数环境中是稳定的, 因此钛及其合金就具有非常好的抗腐蚀能力。由于钛氧化膜即使遭到局部破坏,仍有吸氧“自愈”的特点, 所以钛在氧化性或中性的介质中耐腐蚀的能力很强。钛在硝酸以及在常温下, 5 %以下的硫酸、盐酸、磷酸中有较好的耐腐蚀性, 在海水中几乎不被腐蚀。高、低温性能好 现在新型钛合金能在60
15、0的高温下长期稳定工作。同时钛合金的低温性能也非常好,在低温(-200)下仍能保持很好的塑性,适合在超低温下工作。1.1.3 钛合金用途钛及钛合金具有密度小、比强度高、工作温度范围较宽、抗蚀性优良、导热性差、弹性模量低等特点,目前其主要用途可大致分为三类:喷气发动机、航空构架和工业应用。航空航天及军事应用 钛合金在航空航天及军事上的应用,主要是利用其优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性,比如航空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。化工、能源等工业应用 由于钛合金具有优良的抗腐蚀性,因此钛铸件可用
16、于工业中的耐腐泵、阀门、叶轮等大部分在腐蚀性很强的液体介质中运转部件。钛合金是海水、盐水、碱金属氯化物等无机介质中具有很强抗蚀性能的金属材料。因此被广泛应用于氯碱工业以及海水淡化等。汽车工业 由于钛合金密度小、比强度高等优点,其主要被应用在汽车领域用以减少内燃机往复运动件的质量和汽车的总重量。医疗器械应用 钛及钛合金具有很好的生物相容性和耐腐蚀性,因此其在医学领域有较好的应用。体育器械应用 由于钛合金的优良性能而被广泛应用在高尔夫球头、网球拍、摩托艇和马具等体育用品上。1.2 渗硼工艺概述1.2.1 渗硼历史发展渗硼工艺自诞生至今已有100多年历史,金属的渗硼层具有硬度高、耐蚀性、耐磨性好,抗
17、高温氧化性及红硬性优良等优点4。从二十世纪七十年代,国内外开始大量研究与应用渗硼技术, 主要对液体渗硼和固体粉末渗硼技术的渗硼剂、渗硼工艺、渗硼原理及渗硼层组织与性能进行了开发研究。国外以日本为代表进行了液体渗硼的研究, 以德国为代表进行了固体粉末渗硼技术的研究, 并都取得了成功。我国大量开展渗硼技术的研究是在20世纪70年代后期开始的。随着渗硼技术不断发展,时至今日,渗硼工艺已有盐浴渗硼、固体渗硼和气体渗硼以及新近出现的等离子渗硼和激光重熔技术等,目前国内外研究应用最多的是固体渗硼。这是因为与其他渗硼工艺相比,固体渗硼工艺具有明显的优点:其操作方便、设备简单、质量易控制等,因此被广泛应用于工
18、业生产中。钛及钛合金具有比强度高、低温性能优良和耐腐蚀等优点,被广泛应用于航空航天和石油化工等域,钛及其合金的主要缺点是表面硬低、耐磨性差,摩擦系数大,这使得钛制零件在用作滑动部件时,易与对磨材料发生咬合,造成磨损,严重限制了其应用范围。钛的硼化物是一种硬度高、导热性好的陶瓷材料,进行渗硼处理可使钛的表面形成硼化物这是改善钛的耐磨性的一种非常有效的手段。1.2.2 渗硼工艺渗硼和其他化学热处理一样,是有含硼介质(如Na2B4O7、B4C等)与活化剂化学反应产生活性硼原子B,被吸附到工件表面后经扩散形成渗硼层。渗硼的方法可分为液体、固体、气体、等离子法。表1.2为各种方法所用渗硼介质5。表1.2
19、 渗硼介质和渗硼方法渗硼方法渗硼介质工艺特点气体BCl3(BF3、BBr3)+H2B2H6+H2(CH3)3B、(C2H5)3B用电阻丝加热,也可用感应加热,到温后通入渗硼介质等离子态B2H6+H2利用辉光放电离子化,在电场作用下,硼离子正向工作液体Na2B4O7+SiC(硼铁)Na2B4O7+还原剂+中性盐工作浸在熔融的盐浴中Na2B4O7+NaCl+B2O3HBO2+NaF熔化的氟化物+硼或固体硼化物电解,工作阴极,石墨作阳极固体非晶硼+活化剂硼铁+活化剂B4C+活化剂粉末装箱,在箱式电炉中加热或将渗硼介质和石墨混合在流动粒子炉中加热B4C+Na3AlF6+硅酸乙酯硼铁+ Na3AlF6+
20、水玻璃制成膏剂涂在工件表面,感应加热或保护条件下加热,将膏剂涂于铸型型腔表面,利用金属液热量实现铸渗(1)液体渗硼液体渗硼主要有盐浴渗硼和电解渗硼。A 盐浴渗硼 盐浴渗硼一般用不锈钢坩埚,在井式电炉中加热,具有设备简单、操作方便和渗层结构易于控制等优点。缺点是硼砂盐浴对坩埚浸蚀严重,流动性太差,粘盐多,难清洗等,因而逐渐不再使用。以硼砂为供硼剂的盐浴。在熔融的硼砂盐浴中,加入硅钙铁、碳化硅、碳化硼、硅铁、铝、镁、钙等还原剂,使盐浴中产生活性硼原子B,达到渗硼目的。如在加碳化硅的硼砂盐浴中存在下属反应:(1.1)(1.2)(1.3) 活性硼原子被工件表面吸附后,会生成硼化物,从而达到渗硼效果。B
21、 盐浴电解渗硼电解法液体渗硼时将工件插入电解槽中,电解质为熔融的硼砂及少量碳化硅或硼酐。以工件为阴极,石墨为阳极。也可直接用电解槽为阳极。在外接电源作用下,熔融的硼砂发生热分解和电离作用,从而产生B,B被工件吸收、扩散形成硼化物层。(2)固体渗硼固体渗硼是将工件表面清洗并干燥后,埋入装有渗硼剂的罐或箱中密封。渗硼箱选择双层盖为好,这样密封箱盖用的粘土所含的湿气不易进入箱内,有利于改善渗硼质量。固体渗硼具有不用专用设备,可用箱式炉和井式炉加热,工艺简便,工件表面干净,易清理等优点,因而近来发展较快,应用较多。A 渗硼剂的组成目前固体渗硼剂有粉末状和粒状两种,膏体渗硼剂也属于固体渗硼剂。固体渗硼剂
22、一般由供硼剂、活化剂、还原剂和填充剂四部分组成,粒状和膏剂渗硼剂还需要添加胶黏剂。供硼剂的主要作用是作为渗硼源,为渗硼提供活性硼原子。目前国内外主要使用的供硼剂主要是硼铁、碳化硼、硼砂、硼和非晶硼。碳化硼含硼量高,渗硼处理后的渗层致密,但价格较贵,由于国产渗硼剂采用氯化物或氟化物作为活化剂,供硼剂多用硼铁或硼砂,以获得活性适中、成本低的渗剂。活化剂作用主要是影响渗硼速度。通过提高渗剂的活性,与供硼剂进行化学反应,产生气态化合物,促进活性硼原子的产生,加速渗硼过程。而在由还原剂组成的渗剂中还兼有促进还原反应进行的作用。一开始主要使用卤化物和碳酸盐作为活化剂,近来较为广泛使用的是氟硼酸钾和氟硅钠。
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