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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)進(jìn)行硼鐵共滲的方法。
背景技術(shù)：
齒輪是機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵零件，它既要具有優(yōu)良的耐磨性又要具備高的抗接觸疲勞性能，齒輪質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系整個(gè)設(shè)備的使用壽命。傳統(tǒng)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(qiáng)度和表面硬度的綜合機(jī)械性能。與鋼合金相比，鈦合金具有比強(qiáng)度高，密度低，重量小，抗氧化性和抗蠕變性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，從這些方面上講它是齒輪用材的優(yōu)選材料之一。但是，鈦合金表面耐磨性差、易發(fā)生粘連，在使用中很容易與配副發(fā)生咬合，限制了其在齒輪上的實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)有公開(kāi)號(hào)為CN101798667A公開(kāi)的一種“用于傳動(dòng)齒輪應(yīng)用的硬化鈦結(jié)構(gòu)”，但是這種硬化鈦結(jié)構(gòu)的鈦合金齒輪制備方 法復(fù)雜，難度較大，難以實(shí)際應(yīng)用。而廣泛應(yīng)用于齒輪表面處理的傳統(tǒng)滲碳工藝又不適合對(duì)鈦合金齒輪的表面處理，就其原因是在滲碳工藝過(guò)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(guò)程中，氫原子很容易滲入鈦合金齒輪表面內(nèi)層，在沖擊條件下引發(fā)氫脆。為了實(shí)現(xiàn)鈦合金齒輪表面的合金化，本發(fā)明在公開(kāi)號(hào)為CN1632159公開(kāi)的一種“熱電子增強(qiáng)離子滲硼裝置及工藝”基礎(chǔ)上，根據(jù)鈦合金齒輪的性質(zhì)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以硼鐵作為主要供給源的工件-源極一體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鈦合金齒輪表面硼鐵共滲合金化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在現(xiàn)有等離子體滲鍍的基礎(chǔ)上，針對(duì)鈦合金齒輪的特點(diǎn)，要解決的具體技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)以硼鐵作為主要供給源的工件-源極一體結(jié)構(gòu)，避免氫、氧的出現(xiàn)，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(wèn)題，本發(fā)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(shù)，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(gòu)成工件-源極一體結(jié)構(gòu)；
直流電源系統(tǒng)由一臺(tái)高壓直流電源組成，負(fù)極接在陰極托盤上，正極接在接地的真空容器上；
通過(guò)抽真空系統(tǒng)將真空容器抽真空到極限真空度后，通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)充入氬氣使真空容器內(nèi)氣壓升至13.3 Pa 133.3 Pa ；
直流電源系統(tǒng)施加電壓-500V -800V于齒輪工件和源極上，產(chǎn)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(tuán)遷移吸附并擴(kuò)散進(jìn)入到齒輪內(nèi)，形成合金層；保溫結(jié)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(shí)現(xiàn)上述本發(fā)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(shù)，針對(duì)鈦合金齒輪的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以硼鐵作為主要供給源的工件-源極一體結(jié)構(gòu)，避免了氫原子的出現(xiàn)，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(jìn)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(xiàn)有“熱電子增強(qiáng)離子滲硼裝置及工藝”相比，由于針對(duì)具體的鈦合金齒輪，所設(shè)計(jì)的工件-源極一體結(jié)構(gòu)，無(wú)需熱電子發(fā)射裝置和脈沖電源，只需一臺(tái)直流電源，對(duì)設(shè)備的要求較低，工藝更加優(yōu)化，操作更簡(jiǎn)單。與現(xiàn)有的固體滲硼技術(shù)相比，具有處理過(guò)程無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染，節(jié)能環(huán)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(qiáng)，接觸疲勞性能優(yōu)，使用壽命長(zhǎng)。特別適用于航空航天工業(yè)，汽車工業(yè)，化工工業(yè)，食品與生物制藥工業(yè)。


圖1是本發(fā)明鈦合金齒輪等離子體滲硼裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明一種表面強(qiáng)化鈦合金齒輪的結(jié)構(gòu)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(tǒng)；6:抽真空系統(tǒng)；7:進(jìn)氣系統(tǒng)；8:欽合金齒輪本體；9:砸鐵滲層。
具體實(shí)施例方式下面參閱附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的闡述，但并不對(duì)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案有所限定。實(shí)施本發(fā)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(shù)。高性能表層是合金化元素硼和鐵擴(kuò)散進(jìn)入鈦合金表面而形成的合金擴(kuò)散層。它是將硼化鐵作為源極，利用陰極濺射現(xiàn)象，將源極中硼、鐵離子、原子及粒子團(tuán)濺射出來(lái)，被濺射出來(lái)的硼、鐵等粒子流吸附到與源極相對(duì)而置的齒輪上，并擴(kuò)散進(jìn)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(yōu)異，抗沖擊能力強(qiáng)，接觸疲勞性能優(yōu)，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型鈦合金齒輪。上述實(shí)施一種鈦合金齒輪本體的原材料米用(α+β )鈦合金，對(duì)其表面米用等離子體硼鐵共滲技術(shù)，并針對(duì)直齒輪的形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工件-源極一體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，降低成本。工件-源極一體結(jié)構(gòu)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(xiāng)(T30mm，最好選擇為20 mm左右。直流電源系統(tǒng)5由一臺(tái)高壓直流電源組成， 負(fù)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(guò)程是，通過(guò)抽真空系統(tǒng)6將真空容器4抽真空到極限真空度后，通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)7充入氬氣使真空容器4內(nèi)氣壓升至工作氣壓；直流電源系統(tǒng)5施加電壓于齒輪工件2和源極3上，產(chǎn)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(shí)間，使被濺射出的硼、鐵離子、原子及粒子團(tuán)遷移吸附并擴(kuò)散進(jìn)入到齒輪內(nèi)部，形成合金層；保溫結(jié)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(shù)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(shí)間3 IOhr (滲硼保溫時(shí)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(shù)，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(guò)程中由于避免了氫、氧元素的出現(xiàn)，不存在鈦合金的氫脆問(wèn)題和氧化問(wèn)題，而且制備工藝過(guò)程始終無(wú)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(qiáng)，接觸疲勞性能優(yōu)，使用壽命長(zhǎng)。下面通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1
采用等離子體滲硼技術(shù)在Ti6A14V合金(α+β鈦合金)材料制造的齒輪表層形成硼鐵擴(kuò)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(shí)，隨爐緩冷到室溫即成。通過(guò)上述工藝過(guò)程形成的鈦合金齒輪，本體仍然是α + β相構(gòu)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(jīng)檢測(cè)，表面硬度780 Hv。無(wú)氫脆。實(shí)施例2
采用等離子體滲硼技術(shù)在Ti6A14V合金材料制造的齒輪表層形成硼鐵擴(kuò)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(shí)，隨爐緩冷到室溫即成。通過(guò)上述工藝過(guò)程形成的鈦合金齒輪，本體仍然是α + β相構(gòu)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(jīng)檢測(cè),表面硬度960 Hv。無(wú)氫脆。
權(quán)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(shù)，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(quán)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(gòu)成工件-源極一體結(jié)構(gòu)； 直流電源系統(tǒng)(5 )由一臺(tái)高壓直流電源組成，負(fù)極接在陰極托盤(I)上，正極接在接地的真空容器(4)上； 通過(guò)抽真空系統(tǒng)(6)將真空容器(4)抽真空到極限真空度后，通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)(7)充入氬氣使真空容器(4)內(nèi)氣壓升至13.3 Pa 133.3 Pa ； 直流電源系統(tǒng)(5)施加電壓-500V -800V于齒輪工件(2)和源極(3)上，產(chǎn)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(tuán)遷移吸附并擴(kuò)散進(jìn)入到齒輪內(nèi)，形成合金層；保溫結(jié)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(gòu)成工件-源極一體結(jié)構(gòu)，直流電源負(fù)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(chǎn)生空心陰極輝光放電，濺射出的硼、鐵離子、原子及粒子團(tuán)遷移吸附并擴(kuò)散進(jìn)入齒輪內(nèi)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(fā)明制備工藝先進(jìn)，成本低，所制備的齒輪抗咬合性強(qiáng)、耐磨性能好，使用壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C23C12/02GK103147037SQ20131009183
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者秦林, 姚曉紅, 武晶晶, 唐賓 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)