專利名稱：一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪及其共滲方法
技術領域：
本發明涉及一種鈦合金齒輪，還涉及一種鈦合金齒輪表面采用等離子體滲鍍技術進行硼鐵共滲的方法。
背景技術：
齒輪是機械設備中的關鍵零件，它既要具有優良的耐磨性又要具備高的抗接觸疲勞性能，齒輪質量的優劣直接關系整個設備的使用壽命。傳統的齒輪用材主要是20CrMnT1、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo等合金鋼，采用滲碳和熱處理工藝提高齒輪沖擊韌度、疲勞強度和表面硬度的綜合機械性能。與鋼合金相比，鈦合金具有比強度高，密度低，重量小，抗氧化性和抗蠕變性強等優點，從這些方面上講它是齒輪用材的優選材料之一。但是，鈦合金表面耐磨性差、易發生粘連，在使用中很容易與配副發生咬合，限制了其在齒輪上的實際應用。現有公開號為CN101798667A公開的一種“用于傳動齒輪應用的硬化鈦結構”，但是這種硬化鈦結構的鈦合金齒輪制備方 法復雜，難度較大，難以實際應用。而廣泛應用于齒輪表面處理的傳統滲碳工藝又不適合對鈦合金齒輪的表面處理，就其原因是在滲碳工藝過程中，一方面是由于鈦合金表面形成致密的氧化膜阻擋了碳原子的滲入；另一方面是在滲碳過程中，氫原子很容易滲入鈦合金齒輪表面內層，在沖擊條件下引發氫脆。為了實現鈦合金齒輪表面的合金化，本發明在公開號為CN1632159公開的一種“熱電子增強離子滲硼裝置及工藝”基礎上，根據鈦合金齒輪的性質和特點，設計以硼鐵作為主要供給源的工件-源極一體結構，實現鈦合金齒輪表面硼鐵共滲合金化。
發明內容
本發明在現有等離子體滲鍍的基礎上，針對鈦合金齒輪的特點，要解決的具體技術問題是設計以硼鐵作為主要供給源的工件-源極一體結構，避免氫、氧的出現，并形成有效的硼、鐵原子共滲氣氛，改善鈦合金齒輪的表面性能，從而獲得表層高性能的鈦合金齒輪，其目的是提供一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪及其共滲方法。為了解決上述問題，本發明提供一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪及其共滲方法，其中，一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪，含有鈦合金齒輪本體，其特征在于:
在α+β鈦合金齒輪本體表面采用等離子體硼鐵共滲技術，以硼化鐵為源極，獲得一層厚度為0.02-0.1mm的耐磨合金層，其表面硼含量為10% 12%、鐵含量為20 30%，且合金元素含量由表及里梯度降低。一種用于上述的表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪的共滲方法，其特征在于: 鈦合金齒輪本體作為工件置于陰極托盤中央，硼化鐵作為源極置于齒輪周圍的陰極托
盤上，兩者間距為l(T30mm，構成工件-源極一體結構；
直流電源系統由一臺高壓直流電源組成，負極接在陰極托盤上，正極接在接地的真空容器上；
通過抽真空系統將真空容器抽真空到極限真空度后，通過進氣系統充入氬氣使真空容器內氣壓升至13.3 Pa 133.3 Pa ；
直流電源系統施加電壓-500V -800V于齒輪工件和源極上，產生空心陰極輝光放電，從而加熱齒輪工件和源極；齒輪升溫至850°C 950°C后，保溫3 IOhr ;被濺射出的硼、鐵離子、原子及粒子團遷移吸附并擴散進入到齒輪內，形成合金層；保溫結束后緩冷到室溫，獲得表面具有硼鐵共滲層的鈦合金齒輪。實現上述本發明所提供的一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪及其共滲方法，其所述方法是利用等離子體硼鐵共滲技術，針對鈦合金齒輪的特點，設計以硼鐵作為主要供給源的工件-源極一體結構，避免了氫原子的出現，并形成了有效的硼鐵原子共滲氣氛，使得輪齒表面各部位滲層均勻致密，進一步改善了鈦合金齒輪的表面性能，從而獲得了表層高性能的鈦合金齒輪。與現有“熱電子增強離子滲硼裝置及工藝”相比，由于針對具體的鈦合金齒輪，所設計的工件-源極一體結構，無需熱電子發射裝置和脈沖電源，只需一臺直流電源，對設備的要求較低，工藝更加優化，操作更簡單。與現有的固體滲硼技術相比，具有處理過程無毒、無害、無污染，節能環保；所制備的鈦合金齒輪表層硬度較高，耐磨性能好，抗沖擊能力強，接觸疲勞性能優，使用壽命長。特別適用于航空航天工業，汽車工業，化工工業，食品與生物制藥工業。
圖1是本發明鈦合金齒輪等離子體滲硼裝置結構圖。圖2是本發明一種表面強化鈦合金齒輪的結構示意圖。圖中:1:陰極托盤；2:工件；3:源極；4:接地的真空容器；5:直流電源系統；6:抽真空系統；7:進氣系統；8:欽合金齒輪本體；9:砸鐵滲層。
具體實施例方式下面參閱附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的闡述，但并不對本發明所提供的技術方案有所限定。實施本發明所提供得一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪及其共滲方法，是一種表層高性能鈦合金齒輪的制造技術。高性能表層是合金化元素硼和鐵擴散進入鈦合金表面而形成的合金擴散層。它是將硼化鐵作為源極，利用陰極濺射現象，將源極中硼、鐵離子、原子及粒子團濺射出來，被濺射出來的硼、鐵等粒子流吸附到與源極相對而置的齒輪上，并擴散進入輪齒表面，形成均勻、致密的滲硼層。形成的滲硼鈦合金齒輪表面粗糙度小，表層硬度較高，抗磨損性能優異，抗沖擊能力強，接觸疲勞性能優，是一種具有廣泛應用前景的新型鈦合金齒輪。上述實施一種鈦合金齒輪本體的原材料米用(α+β )鈦合金，對其表面米用等離子體硼鐵共滲技術，并針對直齒輪的形狀特點設計相應的工件-源極一體結構，進一步簡化工藝，降低成本。工件-源極一體結構是，鈦合金齒輪作為工件2置于陰極托盤I的中央，硼化鐵作為源極3置于齒輪周圍的陰極托盤I上，兩者間距l(T30mm，最好選擇為20 mm左右。直流電源系統5由一臺高壓直流電源組成， 負極接在陰極托盤I上，正極都接在接地的真空容器4上。具體制備工藝過程是，通過抽真空系統6將真空容器4抽真空到極限真空度后，通過進氣系統7充入氬氣使真空容器4內氣壓升至工作氣壓；直流電源系統5施加電壓于齒輪工件2和源極3上，產生空心陰極輝光放電，從而加熱齒輪工件2和源極3 ;齒輪2升溫至工作溫度后保溫一段時間，使被濺射出的硼、鐵離子、原子及粒子團遷移吸附并擴散進入到齒輪內部，形成合金層；保溫結束后緩冷到室溫，獲得如圖2所示的表層為硼鐵共滲合金層(8)、基體為鈦合金(9)的齒輪。工藝參數范圍是，工作氣壓13.3 Pa 133.3 Pa，工作溫度850°C 950°C，硼鐵共滲保溫時間3 IOhr (滲硼保溫時間視工藝要求而定)，電源電位-500V -800V。上述鈦合金齒輪表面共滲工藝獲得的鈦合金齒輪，是在α+β鈦合金齒輪本體表面采用等離子體硼鐵共滲技術，以硼化鐵為源極，獲得一層厚度為0.02-0.1mm，表面硼含量為10% 12%、鐵含量為20 30%,且合金兀素含量由表及里梯度降低的一種表面高性能鈦合金齒輪。在上述鈦合金齒輪的表面處理過程中由于避免了氫、氧元素的出現，不存在鈦合金的氫脆問題和氧化問題，而且制備工藝過程始終無任何污染，所制作的鈦合金齒輪表層硬度較高，抗沖擊能力強，接觸疲勞性能優，使用壽命長。下面通過具體實施例進一步說明本發明的具體實施方式
。實施例1
采用等離子體滲硼技術在Ti6A14V合金(α+β鈦合金)材料制造的齒輪表層形成硼鐵擴散層。將FeB組成的源極3和Ti6A14V齒輪放置于同一陰極托盤I上，齒輪居中，源極居夕卜，兩者間距25mm。抽真空到小于IPa，充入氬氣使氣壓升至45Pa，在陰極托盤I與真空容器4之間，加電壓-690V，使齒輪溫度升到`850°C，保溫3小時，隨爐緩冷到室溫即成。通過上述工藝過程形成的鈦合金齒輪，本體仍然是α + β相構成的Ti6A14V合金，輪齒的各部分表層是分布均勻、厚度為0.02mm的滲鐵硼層，其表面硼含量為10.4%、鐵含量為20.3%，且合金元素含量由表及里梯度降低。經檢測，表面硬度780 Hv。無氫脆。實施例2
采用等離子體滲硼技術在Ti6A14V合金材料制造的齒輪表層形成硼鐵擴散層。將FeB組成的源極3和Ti6A14V齒輪放置于同一陰極托盤I上，齒輪居中，源極居外，兩者間距25mm。抽真空到小于IPa，充入氬氣使氣壓升至45Pa，在陰極托盤I與真空容器4之間，力口電壓-780V，使齒輪溫度升到950°C，保溫10小時，隨爐緩冷到室溫即成。通過上述工藝過程形成的鈦合金齒輪，本體仍然是α + β相構成的Ti6A14V合金，輪齒的各部分表層是分布均勻、厚度為0.09mm的滲鐵硼層，其表面硼含量為11.3%、鐵含量為28.6%,且合金兀素含量由表及里梯度降低。經檢測,表面硬度960 Hv。無氫脆。
權利要求
1.一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪，含有鈦合金齒輪本體，其特征在于: 在α+β鈦合金齒輪本體表面采用等離子體硼鐵共滲技術，以硼化鐵為源極，獲得一層厚度為0.02-0.1mm的耐磨合金層，其表面硼含量為10% 12%、鐵含量為20 30%，且合金元素含量由表及里梯度降低。
2.一種用于如權利要求1所述的表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪的共滲方法，其特征在于: 鈦合金齒輪本體作為工件(2)，硼化鐵作為源極(3)，同置于陰極托盤(I)上，齒輪處于陰極托盤(I)中央，源極處于周圍，兩者間距為l(T30mm，構成工件-源極一體結構； 直流電源系統(5 )由一臺高壓直流電源組成，負極接在陰極托盤(I)上，正極接在接地的真空容器(4)上； 通過抽真空系統(6)將真空容器(4)抽真空到極限真空度后，通過進氣系統(7)充入氬氣使真空容器(4)內氣壓升至13.3 Pa 133.3 Pa ； 直流電源系統(5)施加電壓-500V -800V于齒輪工件(2)和源極(3)上，產生空心陰極輝光放電，從而加熱齒輪工件(2)和源極(3);齒輪(2)升溫至850°C 950°C后，保溫3 IOhr ;被濺射出的硼、鐵離子、原子及粒子團遷移吸附并擴散進入到齒輪內，形成合金層；保溫結束后緩冷到室溫，獲得表面`具有硼鐵共滲層的鈦合金齒輪。
全文摘要
一種表面具有硼鐵合金滲層的鈦合金齒輪及其共滲方法，其所述方法是將鈦合金齒輪作為工件，硼化鐵作為源極，同置于陰極盤上，構成工件-源極一體結構，直流電源負極接陰極盤，正極接真空容器，抽真空并充入氬氣，施加直流電壓產生空心陰極輝光放電，濺射出的硼、鐵離子、原子及粒子團遷移吸附并擴散進入齒輪內形成合金層，保溫后緩冷到室溫，獲得具有硼鐵共滲層的鈦合金齒輪。本發明制備工藝先進，成本低，所制備的齒輪抗咬合性強、耐磨性能好，使用壽命長。
文檔編號C23C12/02GK103147037SQ20131009183
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者秦林, 姚曉紅, 武晶晶, 唐賓 申請人:太原理工大學