增强Ti合金的方法 【技术领域】
本发明涉及增强Ti合金以提高其耐磨性的方法。背景技术
在汽车工业中，提升阀和其它阀操作部件由具有高强度和低比重的Ti合金制成。提升阀需要在与不同的阀操作部件接合的部位具有耐磨性和抗擦痕性能。
为增强Ti合金材料以获得耐磨性和抗擦痕性能，已开发了许多种方法。例如，日本专利公开62-256956中公开了在Ti合金表面形成氧化物。日本专利公开61-81505中公开了在表面形成氮化物。日本专利2,909,361中公开了通过渗碳过程使碳原子扩散进入Ti合金。
前述方法中Ti合金材料的耐磨性和抗擦痕性能得到了改善，但其表面太硬，以致于不同部件接合时很可能会受到冲击。
编号为2001-25415的日本专利申请公开了一种Ti合金提升阀，其中形成了Ti-O和Ti-C固溶体，并公开了一种制造Ti合金提升阀的方法，该方法包括以下步骤：在一台等离子体真空炉中在低于β转变点的温度下加热Ti合金提升阀，在所述的真空炉中含有低于形成氧化钛的化学计量的氧气以扩散O原子和C原子而形成O和C扩散层，所述扩散层中含有Ti-O和Ti-C固溶体从而增强提升阀的阀体。
为扩散O原子和C原子，在低于形成氧化钛的化学计量的氧气存在下，在约800℃的温度下进行热处理。在一种用于离子化渗碳或等离子体渗碳的气体存在下，进行辉光放电，而所供给的氧气量低于形成氧化钛的化学计量。这样形成的氧/碳扩散层不仅提高了耐磨性和抗擦痕性能，而且减弱了其冲击其它部件的性质。
但是，如前所述，热处理是在一台等离子体真空炉中，在氧气的存在下进行，而通过辉光放电进行复杂的等离子体渗碳过程。另外，必须在等离子体真空炉中使用一种真空放电装置和等离子体电源，从而增加了成本。发明简述
考虑到现在技术的缺陷，本发明地一个目的是提供一种增强Ti合金的方法，该方法不形成氧化钛而扩散氧原子和碳原子。
按照本发明，提供了一种增强Ti合金的方法，该方法包括在一台加热炉中，在CO2气氛中、600-900℃的温度下加热Ti合金，使C原子和O原子扩散进入Ti合金中。附图说明
由以下结合附图进行的描述，本发明的特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是本发明的实施例1中处理的Ti合金的显微照片；
图2是显示图1中的Ti合金材料的氧原子和碳原子浓度的图形；
图3是图1中的Ti合金材料的硬度随深度的变化曲线；
图4是本发明的实施例3中处理的Ti合金的显微照片；
图5是比较例2处理的Ti合金的显微照片；
图6是Ti合金材料的耐磨试验结果图；
图7是耐磨试验装置的示意图。发明内容
以下将描述本发明的热处理。
Ti合金包括α合金，如Ti-5Al-2.5Sn；近α合金，如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(本文称作“Ti6242”)和Ti-8Al-Mo-V；α-β合金，如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo；和β合金，如Ti-13V-11Cr-3Al和Ti-15Mo-5Zr-3Al。优选使用Ti6242。
在热处理中，将Ti合金置于一台加热炉中，用CO2吹扫炉内的空气。在CO2气氛中，在600-900℃，优选800-850℃的温度下加热。
低于600℃时碳原子的扩散速度太慢，这对成本是不利的。高于900℃时形成氧化物层，且温度高于Ti的β转变点从而改变其结构，这是不可取的。
在热处理中，为补充由于碳原子和氧原子进入Ti合金而损耗的CO2并维持炉内的CO2气氛，可以持续地将CO2加入加热炉中。进气速率可以为0.5-3.0升/分钟(l/min)，优选1.0-2.5l/min。
在CO2中的处理时间影响耐磨性或硬度，处理时间可以优选为1-3小时。通过热处理，O原子和C原子扩散至离表面25-50μm的深度处，表面硬度为HV550-1000。
当用Ti合金制造汽车内燃机中的提升阀时，适宜的Vicker硬度为HV700-850。由本发明方法处理的阀不仅具有耐磨性和抗擦痕性能，而且其冲击其它部件的性质被减弱。具体实施方式实施例1
在一台容积为24l的马弗(muffle)炉中，放入一个由Ti6242制成的提升阀样品，并引入CO2吹扫空气。CO2加进炉中的流速为1l/min，将样品加热至800℃，并保持此温度2小时。然后，在不接触空气的情况下将提升阀冷却至室温。冷却后，从炉中取出样品，并进行各项测试。
图1是该样品一部分的显微照片。如显微照片中所示，氧原子和碳原子被引入到一定的深度。
图2是显示由电场辐射型俄歇(Auger)电子能谱仪在各个深度测量的氧原子和碳原子浓度的平均值的曲线。图中横坐标轴代表距离样品表面深度，纵坐标轴代表氧原子和碳原子的浓度(原子％)。浓度单位“原子％”指氧原子和碳原子占分析的总原子数的比率。该曲线显示了在样品的扩散层中的氧原子和碳原子。
用X射线微衍射仪进行的X射线衍射能识别TiC，但不会发现氧化钛。因此，氧原子不与钛结合，而仍然保持原子状态。碳原子部分与钛结合形成TiC，但剩余的是以碳原子形式扩散。
由Shimazu公司制造的Micro-Vickers硬度检测器测量如此制得的样品的分区硬度。图3示出了硬度分布。横坐标轴代表距离表面的深度(μm)，纵坐标轴代表100gf下的硬度(HV)。该图表明按照本发明的方法，直至50μm处硬度都得到了提高。
图2和图3证明由于存在氧原子和碳原子，使Ti合金的硬度增大。
如图3所示，表面硬度为HV830。实施例2-9和比较例1-3
在不同温度和时间条件下对Ti6242进行表面处理，结果列在下表中。
表温度(℃)时间(小时)表面硬度(HV) 氧化层实施例2 750 3 570 无 3 800 0.5 630 无 4 710 50 680 无 5 800 1 710 无 6 800 1.5 790 无 7 800 3 870 无 8 850 1 930 无 9 850 2 960 无比较例1 850 55 1030形成氧化层 2 900 1 980形成氧化层 3 1000 0.5 1030形成氧化层
在CO2气氛中，在710-850℃加热Ti6242 0.5-50小时，这样就将O原子和C原子引入到Ti合金中而不会形成氧化物。
图4是实施例3中处理的Ti合金提升阀的显微照片，形成了O和C扩散层。
用在汽车内燃机中的提升阀会经历恶劣的条件如高温。这样的一种提升阀需要硬度为HV 700-850。在实施例1、5和6中，需要样品经历的条件为：800℃下1-2小时。
如比较例1所示，850℃的温度与实施例8和9相同，但其费时55小时达到HV1030的硬度。但该时间太长，从而在表面上形成了氧化层。变形很大，所以不合适。
在比较例2和3中，当温度超过900℃时，表面硬度已足够，但形成了一个厚氧化层而引起大的变形，这不适于实际应用。
图5是比较例2的提升阀的显微照片，其中在O原子和C原子扩散层上形成了氧化层。
图6示出了实施例1和3和比较例2中的Ti6242、未处理的Ti合金和扩散渗氮(tuftriding)处理的耐热钢的耐磨试验结果。
为进行试验，如图7所示，将试件2与一个由Fe烧结的材料制成的阀导承1咬合。加载6kgf的垂直重量“W”，一边在1和2之间加入润滑油一边将试件2来回滑动50小时。
由未处理的Ti6242制成的试件磨损最大，磨损按实施例3、实施例1、耐热钢和比较例2的次序依次减小。实施例1的磨损与耐热钢相当。由于表面强度的差异，实施例3的磨损大于实施例1。比较例2的磨损最小，这看来是由表面上的氧化层引起的。比较例2太硬，以致与其咬合的阀导承的磨损最大。