纯钛表面固体渗硼及渗硼层性质的研究

【摘要】：从钛的工业价值、资源寿命和发展前景看,随着新的技术革命和工业革命的深入,钛将成为继铁、铝之后崛起的“第三金属”,21世纪将是“钛的世纪”。从使用钛的意义上看,一个国家使用钛的多少,标志着国家的科技水平、军事实力和经济实力的强弱。所以,推广使用钛,发挥钛特性的优势作用,是现代技术发展的方向。但钛的硬度低,耐磨性能较差,限制了其在摩擦磨损等相关行业中的应用。为了克服钛在力学性能的不足,通过表面改性来改善钛及钛合金的耐磨性,已成为该领域内一个新的研究热点。 本文通过固体粉末渗硼法在钛表面形成硬质的硼钛化合物层来改善纯钛的表面性能,借助于扫描电镜、金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机等设备对渗硼层的表面形貌、组织结构及性能进行了分析。 通过观察渗层的显微组织结构,发现渗层由外表层的TiB2层和内表层的TiB构成,TiB层与钛基体结合紧密,在1000、1050、1100℃下分别渗硼5～20h后,渗硼层厚度范围为13-98μm。从TiB2到TiB显微硬度值的变化范围为2500～800HVo.05,比基体的硬度值提高了3倍左右,但渗硼层的脆性较大。摩擦磨损实验结果表明TiB2和TiB的摩擦系数范围为0.25～0.35,外表层的TiB2的摩擦系数最小,而基体的摩擦系数为0.4～0.45,渗层比基体的摩擦系数减小1倍左右,其耐磨性显著增强。 对金属钛表面稀土-硼共渗进行了实验研究。通过改变稀土的加入量的方法调节渗层的厚度,确定了稀土的最佳含量。分析了稀土对渗层形貌、元素分布的影响,并对单渗硼和稀土-硼共渗处理后渗层的硬度、耐磨性及脆性等性能进行对比。结果显示稀土的最佳含量为8%,加入稀土后TiB2和TiB层厚度范围达到37-160μm,且在TiB2层有微米级的微小孔洞存在。通过单渗硼及稀土-硼共渗的对比研究表明,加稀土后,从TiB2到TiB显微硬度值的变化范围为3300-1200HV0.05,比单渗硼的硬度值提高约30%,同时稀土-硼共渗的试样脆性比单渗硼试样的脆性得到了一定的改善。 建立了单渗硼及复合渗的硼钛化合物层的生长动力学曲线。结果表明在1000～1100℃的渗硼温度下,钛基体与B4C粉末之间借助体系中微量氧的作用可生成TiB,随后TiB又与活性硼原子生成TiB2。加入稀土后硼在钛中的扩散系数增大,稀土氧化物对硼钛化合物的生长具有“加速”作用。