一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮及其共渗方法

摘要

一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮及其共渗方法，其所述方法是将钛合金齿轮作为工件，硼化铁作为源极，同置于阴极盘上，构成工件-源极一体结构，直流电源负极接阴极盘，正极接真空容器，抽真空并充入氩气，施加直流电压产生空心阴极辉光放电，溅射出的硼、铁离子、原子及粒子团迁移吸附并扩散进入齿轮内形成合金层，保温后缓冷到室温，获得具有硼铁共渗层的钛合金齿轮。本发明制备工艺先进，成本低，所制备的齿轮抗咬合性强、耐磨性能好，使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金齿轮，还涉及一种钛合金齿轮表面采用等离子体渗镀技术进行硼铁共渗的方法。

背景技术

齿轮是机械设备中的关键零件，它既要具有优良的耐磨性又要具备高的抗接触疲劳性能，齿轮质量的优劣直接关系整个设备的使用寿命。

传统的齿轮用材主要是20CrMnTi、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo等合金钢，采用渗碳和热处理工艺提高齿轮冲击韧度、疲劳强度和表面硬度的综合机械性能。与钢合金相比，钛合金具有比强度高，密度低，重量小，抗氧化性和抗蠕变性强等优点，从这些方面上讲它是齿轮用材的优选材料之一。但是，钛合金表面耐磨性差、易发生粘连，在使用中很容易与配副发生咬合，限制了其在齿轮上的实际应用。

现有公开号为CN101798667A公开的一种“用于传动齿轮应用的硬化钛结构”，但是这种硬化钛结构的钛合金齿轮制备方法复杂，难度较大，难以实际应用。而广泛应用于齿轮表面处理的传统渗碳工艺又不适合对钛合金齿轮的表面处理，就其原因是在渗碳工艺过程中，一方面是由于钛合金表面形成致密的氧化膜阻挡了碳原子的渗入；另一方面是在渗碳过程中，氢原子很容易渗入钛合金齿轮表面内层，在冲击条件下引发氢脆。

为了实现钛合金齿轮表面的合金化，本发明在公开号为CN1632159公开的一种“热电子增强离子渗硼装置及工艺”基础上，根据钛合金齿轮的性质和特点，设计以硼铁作为主要供给源的工件-源极一体结构，实现钛合金齿轮表面硼铁共渗合金化。

发明内容

本发明在现有等离子体渗镀的基础上，针对钛合金齿轮的特点，要解决的具体技术问题是设计以硼铁作为主要供给源的工件-源极一体结构，避免氢、氧的出现，并形成有效的硼、铁原子共渗气氛，改善钛合金齿轮的表面性能，从而获得表层高性能的钛合金齿轮，其目的是提供一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮及其共渗方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮及其共渗方法，其中，一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮，含有钛合金齿轮本体，其特征在于：

在α+β钛合金齿轮本体表面采用等离子体硼铁共渗技术，以硼化铁为源极，获得一层厚度为0.02-0.1mm的耐磨合金层，其表面硼含量为10%～12%、铁含量为20～30%，且合金元素含量由表及里梯度降低。

一种用于上述的表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮的共渗方法，其特征在于：

钛合金齿轮本体作为工件置于阴极托盘中央，硼化铁作为源极置于齿轮周围的阴极托盘上，两者间距为10~30mm，构成工件-源极一体结构；

直流电源系统由一台高压直流电源组成，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；

通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后，通过进气系统充入氩气使真空容器内气压升至13.3 Pa～133.3 Pa；

直流电源系统施加电压-500V～-800V于齿轮工件和源极上，产生空心阴极辉光放电，从而加热齿轮工件和源极；齿轮升温至850℃～950℃后，保温3～10hr；被溅射出的硼、铁离子、原子及粒子团迁移吸附并扩散进入到齿轮内，形成合金层；保温结束后缓冷到室温，获得表面具有硼铁共渗层的钛合金齿轮。

实现上述本发明所提供的一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮及其共渗方法，其所述方法是利用等离子体硼铁共渗技术，针对钛合金齿轮的特点，设计以硼铁作为主要供给源的工件-源极一体结构，避免了氢原子的出现，并形成了有效的硼铁原子共渗气氛，使得轮齿表面各部位渗层均匀致密，进一步改善了钛合金齿轮的表面性能，从而获得了表层高性能的钛合金齿轮。与现有“热电子增强离子渗硼装置及工艺”相比，由于针对具体的钛合金齿轮，所设计的工件-源极一体结构，无需热电子发射装置和脉冲电源，只需一台直流电源，对设备的要求较低，工艺更加优化，操作更简单。与现有的固体渗硼技术相比，具有处理过程无毒、无害、无污染，节能环保；所制备的钛合金齿轮表层硬度较高，耐磨性能好，抗冲击能力强，接触疲劳性能优，使用寿命长。特别适用于航空航天工业，汽车工业，化工工业，食品与生物制药工业。

附图说明

图1是本发明钛合金齿轮等离子体渗硼装置结构图。

图2是本发明一种表面强化钛合金齿轮的结构示意图。

    图中：1：阴极托盘；2：工件；3：源极；4：接地的真空容器；5：直流电源系统；6：抽真空系统；7：进气系统；8：钛合金齿轮本体；9：硼铁渗层。

具体实施方式

下面参阅附图对本发明的具体实施方式作进一步的阐述，但并不对本发明所提供的技术方案有所限定。

实施本发明所提供得一种表面具有硼铁合金渗层的钛合金齿轮及其共渗方法，是一种表层高性能钛合金齿轮的制造技术。高性能表层是合金化元素硼和铁扩散进入钛合金表面而形成的合金扩散层。它是将硼化铁作为源极，利用阴极溅射现象，将源极中硼、铁离子、原子及粒子团溅射出来，被溅射出来的硼、铁等粒子流吸附到与源极相对而置的齿轮上，并扩散进入轮齿表面，形成均匀、致密的渗硼层。形成的渗硼钛合金齿轮表面粗糙度小，表层硬度较高，抗磨损性能优异，抗冲击能力强，接触疲劳性能优，是一种具有广泛应用前景的新型钛合金齿轮。

上述实施一种钛合金齿轮本体的原材料采用（α+β）钛合金，对其表面采用等离子体硼铁共渗技术，并针对直齿轮的形状特点设计相应的工件-源极一体结构，进一步简化工艺，降低成本。工件-源极一体结构是，钛合金齿轮作为工件2置于阴极托盘1的中央，硼化铁作为源极3置于齿轮周围的阴极托盘1上，两者间距10~30mm，最好选择为20 mm左右。直流电源系统5由一台高压直流电源组成，负极接在阴极托盘1上，正极都接在接地的真空容器4上。

具体制备工艺过程是，通过抽真空系统6将真空容器4抽真空到极限真空度后，通过进气系统7充入氩气使真空容器4内气压升至工作气压；直流电源系统5施加电压于齿轮工件2和源极3上，产生空心阴极辉光放电，从而加热齿轮工件2和源极3；齿轮2升温至工作温度后保温一段时间，使被溅射出的硼、铁离子、原子及粒子团迁移吸附并扩散进入到齿轮内部，形成合金层；保温结束后缓冷到室温，获得如图2所示的表层为硼铁共渗合金层（8）、基体为钛合金（9）的齿轮。工艺参数范围是，工作气压13.3 Pa～133.3 Pa，工作温度850℃～950℃，硼铁共渗保温时间3～10hr（渗硼保温时间视工艺要求而定），电源电位-500V～-800V。

上述钛合金齿轮表面共渗工艺获得的钛合金齿轮，是在α+β钛合金齿轮本体表面采用等离子体硼铁共渗技术，以硼化铁为源极，获得一层厚度为0.02-0.1mm，表面硼含量为10%～12%、铁含量为20～30%，且合金元素含量由表及里梯度降低的一种表面高性能钛合金齿轮。

在上述钛合金齿轮的表面处理过程中由于避免了氢、氧元素的出现，不存在钛合金的氢脆问题和氧化问题，而且制备工艺过程始终无任何污染，所制作的钛合金齿轮表层硬度较高，抗冲击能力强，接触疲劳性能优，使用寿命长。

 下面通过具体实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例l

采用等离子体渗硼技术在Ti6Al4V合金（α+β钛合金）材料制造的齿轮表层形成硼铁扩散层。将FeB组成的源极3和Ti6Al4V齿轮放置于同一阴极托盘1上，齿轮居中，源极居外，两者间距25mm。抽真空到小于1Pa，充入氩气使气压升至45Pa，在阴极托盘1与真空容器4之间，加电压-690V，使齿轮温度升到850℃，保温3小时，随炉缓冷到室温即成。

通过上述工艺过程形成的钛合金齿轮，本体仍然是α+β相构成的Ti6Al4V合金，轮齿的各部分表层是分布均匀、厚度为0.02mm的渗铁硼层，其表面硼含量为10.4%、铁含量为20.3%，且合金元素含量由表及里梯度降低。经检测，表面硬度780 Hv。无氢脆。

实施例2

采用等离子体渗硼技术在Ti6Al4V合金材料制造的齿轮表层形成硼铁扩散层。将FeB组成的源极3和Ti6Al4V齿轮放置于同一阴极托盘1上，齿轮居中，源极居外，两者间距25mm。抽真空到小于1Pa，充入氩气使气压升至45Pa，在阴极托盘1与真空容器4之间，加电压-780V，使齿轮温度升到950℃，保温10小时，随炉缓冷到室温即成。

通过上述工艺过程形成的钛合金齿轮，本体仍然是α+β相构成的Ti6Al4V合金，轮齿的各部分表层是分布均匀、厚度为0.09mm的渗铁硼层，其表面硼含量为11.3%、铁含量为28.6%，且合金元素含量由表及里梯度降低。经检测，表面硬度960 Hv。无氢脆。