Ti6Al4V鈦合金QPQ鹽浴復(fù)合處理工藝的優(yōu)化

，利國，，，

(江南大學機械工程學院，無錫 214122)

0 引 言

QPQ(淬火-拋光-淬火)鹽浴復(fù)合處理是一種新的金屬表面強化技術(shù)，該技術(shù)將鹽浴氮碳共滲和鹽浴氧化過程進行復(fù)合，可以起到提高金屬表面耐磨、耐腐蝕性能和對表面進行熱處理的雙重作用。在熔融狀態(tài)下的基鹽和氧化鹽浴中，多種元素同時滲入金屬表層，形成碳化物和氧化物的復(fù)合滲層，從而達到改善金屬表面性能的目的[1]。因此，經(jīng)QPQ處理后，工件的變形程度很小，其耐磨性和耐蝕性均得到顯著提高。

Ti6Al4V鈦合金具有較高的比強度、良好的耐蝕性和耐熱性、無磁性、良好的低溫力學性能等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船艦、化工、汽車和生物醫(yī)學等領(lǐng)域[2-5]。然而，鈦合金作為運動副零部件材料時，會出現(xiàn)耐磨性差等問題，從而限制了其應(yīng)用范圍[5-6]。在Ti6Al4V鈦合金表面形成鍍層是提高其耐磨性的最經(jīng)濟有效的途徑，國內(nèi)外學者對此進行了較多的研究[7-9]。目前，常見的工藝方法主要包括濺射鍍、離子鍍、離子碳化、離子注入技術(shù)、電鍍與化學鍍、微弧氧化法以及復(fù)合型表面處理技術(shù)等[10-11]。其中，鹽浴氮碳共滲是工業(yè)中常用的一種處理工藝，但是處理后鈦合金的耐磨性能并不是十分理想。因此，為了提高鈦合金的耐磨性能，作者對Ti6Al4V鈦合金進行QPQ鹽浴復(fù)合處理,觀察和分析鈦合金的顯微組織和相組成，通過正交試驗研究了QPQ鹽浴復(fù)合處理工藝參數(shù)對鈦合金耐磨性的影響，并與鹽浴氮碳共滲處理后的鈦合金試樣進行對比。

1 試樣制備與試驗方法

試驗中采用Ti6Al4V鈦合金作為基體材料，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為6.7Al，4.2V，0.1Fe，0.07Si，0.03C，0.14O，0.015N，0.003H，余Ti，硬度為370.65 HV，組織為α+β相。QPQ鹽浴復(fù)合處理所用基鹽和氧化鹽分別由金馬熱處理材料有限公司和九星熱處理材料有限公司提供，其中基鹽由尿素、碳酸鈉、碳酸鉀等合成，氧化鹽由亞硝酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀和氫氧化鈉等鹽堿混合而成。將試驗合金加工成20 mm×20 mm×5 mm試樣，打磨后，用PS-08A型超聲波清洗機脫脂，再在SX-4-10型箱式電阻爐中于70 ℃保溫10 min烘干。將試樣在450 ℃恒溫預(yù)熱15 min，放入SQ1213型鹽浴爐中進行鹽浴復(fù)合處理，處理工藝[12]為在580 ℃鹽浴中氮碳共滲3.5 h，再在400 ℃氧化鹽浴中氧化40 min，試驗結(jié)束后，用冷水對試樣進行清洗后，在70 ℃熱水中清洗，最后干燥、浸油。取僅進行氮碳共滲(580 ℃共滲3.5 h)處理的試樣作為對比試樣。

在QPQ鹽浴復(fù)合處理工藝中，共滲時間、共滲溫度、氧化時間和氧化溫度等工藝參數(shù)均會影響鈦合金表面滲層的顯微組織和相組成，從而影響其耐磨性能，因此選取共滲溫度、共滲時間、氧化溫度和氧化時間等工藝參數(shù)作為正交試驗的4個因素。Ti6Al4V鈦合金QPQ鹽浴復(fù)合處理的共滲溫度為550～610 ℃，氧化溫度為340～400 ℃[12]，每一因素分別取3個水平，進行4因素3水平的正交試驗，其因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗的因素水平Tab.1 Factors and levels for orthogonal test

QPQ鹽浴復(fù)合處理過的試樣經(jīng)打磨、拋光和由10 mL硝酸、10 mL氫氟酸和20 mL去離子水組成的混合溶液腐蝕后，在JMS-5600VL型掃描電鏡(SEM)上對試樣截面形貌進行觀察，并測出滲層的厚度。QPQ鹽浴復(fù)合處理試樣的表面經(jīng)2000#精細砂紙打磨后，采用理學智能X射線衍射儀(XRD)進行物相分析。

采用MFT-5000型Rtec多功能摩擦磨損試驗機進行常溫干摩擦試驗，載荷為5 N，試驗頻率為1 Hz，行程為10 mm，摩擦形式為往復(fù)運動，對磨件為直徑10 mm的GCr15鋼球，硬度為620 HV。對試驗前后的試樣進行清洗和烘干處理，然后用精度為0.01 mg的XS205型精密電子天平稱取磨損前后試樣的質(zhì)量，以磨損前后的質(zhì)量差為試樣的磨損量，摩擦因數(shù)可從試驗機顯示器上讀出，做3次試驗取平均值。摩擦試驗后采用JMS-5600VL型掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面的磨損形貌。

圖1 580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min后試樣截面的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of cross section of the sample after carbonitriding at 580 ℃ for 3.5 h and oxidation at 400 ℃ for 40 min

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1知：經(jīng)580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min后，試樣表面形成的滲層由表面至內(nèi)部依次為氧化層(圖中白色空心箭頭所指)、化合物層(圖中黑色實心箭頭所指)、擴散層(圖中灰色箭頭所指)；其中，氧化層厚度約為5 μm，化合物層厚度為5～15 μm，擴散層厚度約為10 μm。

由圖2可知，經(jīng)580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min后，試樣滲層中存在Ti8C5、TiCN、TiO2和Ti3O等化合物。氧化層是在氧化鹽浴中經(jīng)保溫所形成的[13]，其主要成分為TiO2和Ti3O。化合物層是QPQ鹽浴復(fù)合處理后合金中最重要的組織，該層的硬度較高，決定著滲層的耐磨性[14];Ti8C5和TiCN是氮碳共滲時所形成的金屬化合物，是化合物層的主要組成部分[12]，其中Ti8C5屬于高硬化合物，可以提高試樣的硬度，降低摩擦因數(shù)，改善試樣的耐磨性，而TiCN是TiC和TiN的固溶體，兼具兩者的特性[15]。

圖2 580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min后試樣表面的XRD譜Fig.2 XRD pattern of the sample surface after carbonitriding at 580 ℃ for 3.5 h and oxidation at 400 ℃ for 40 min

2.2 工藝參數(shù)的優(yōu)化

由表2可知：對平均磨損量影響最大的因素為氧化溫度，其次為共滲溫度，再次為氧化時間，最后為共滲時間，由極差分析得到的最佳工藝為610 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min。將試樣在上述最佳工藝下進行QPQ鹽浴復(fù)合處理后，測得其平均磨損量為2.13 mg，這是因為在610 ℃共滲時，隨著共滲時間的延長，鹽浴揮發(fā)嚴重，鹽浴中的氰酸根(CNO-)不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)生較厚的疏松層，因此試樣的磨損量增大。由此得出，獲得最小磨損量的最佳工藝為610 ℃共滲1.5 h，400 ℃氧化40 min。

由表2還可知：對平均摩擦因數(shù)影響最大的因素為共滲溫度和氧化溫度，其次為氧化時間，最后為共滲時間，由極差分析得到的最佳工藝參數(shù)為580 ℃共滲3.5 h，400 ℃ 氧化40 min。將試樣在上述工藝下進行QPQ鹽浴復(fù)合處理后，其平均摩擦因數(shù)為0.246 7，這是因為在氧化鹽浴中所生成氧化層的摩擦因數(shù)較低，當氧化溫度較高時，滲層中的氧化層更加致密，因此摩擦因數(shù)更低。由此得出，獲得最小平均摩擦因數(shù)的最佳工藝為580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min。

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results

2.3 優(yōu)化工藝處理后的性能

為了研究QPQ鹽浴復(fù)合處理后Ti6Al4V鈦合金的耐磨性能，將獲得最小平均磨損量QPQ鹽浴復(fù)合處理試樣和獲得最小平均摩擦因數(shù)QPQ鹽浴復(fù)合處理試樣的干摩擦試驗結(jié)果與鹽浴氮碳共滲試樣的作對比。由試驗結(jié)果可知：當鈦合金在610 ℃共滲1.5 h，400 ℃氧化40 min時，其磨損量為1.11 mg，比鹽浴氮碳共滲試樣的降低了38.3%；當鈦合金在580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min時，其平均摩擦因數(shù)為0.246 7，比鹽浴氮碳共滲試樣的降低了21.8%。因此，經(jīng)過優(yōu)化的QPQ鹽浴復(fù)合處理后，試樣的耐磨性得到明顯提高。

由圖3可以看出：鹽浴氮碳共滲試樣的摩擦因數(shù)明顯大于優(yōu)化QPQ鹽浴復(fù)合處理試樣的，并且其摩擦因數(shù)曲線上下波動較大，這說明QPQ鹽浴復(fù)合處理有利于提高摩擦過程的穩(wěn)定性；在磨損開始階段，不同試樣的摩擦因數(shù)均呈先升高后降低的趨勢，這是因為在摩擦磨損初期，試樣表面存在小的凸起，會阻礙試樣的相對運動，所以摩擦因數(shù)增大[13]，當磨合以后，摩擦因數(shù)降低；當磨損時間大于300 s后，鹽浴氮碳共滲試樣的摩擦因數(shù)隨時間增加而增大，這說明試樣的磨損程度不斷加??；當磨損時間為300～1 000 s時，優(yōu)化QPQ鹽浴復(fù)合處理試樣的摩擦因數(shù)均呈下降趨勢，這是因為經(jīng)QPQ鹽浴復(fù)合處理后，試樣表面生成的氧化層有利于降低摩擦因數(shù)、提高耐磨性能[13]，當磨損時間大于1 000 s后，摩擦因數(shù)呈不斷升高的趨勢，這說明試樣表面的氧化層逐漸被磨掉。

圖3 經(jīng)不同優(yōu)化QPQ鹽浴復(fù)合處理與鹽浴氮碳共滲后試樣的摩擦因數(shù)曲線Fig.3 Friction factor curves of samples treated by different optimized QPQ complex salt bath treatment and salt bath nitrogen carburizing

由圖4可知：經(jīng)優(yōu)化QPQ鹽浴復(fù)合處理后，試樣表面磨痕中存在犁溝和少量的黏著磨屑，這說明磨損機理為磨粒磨損和輕微的黏著磨損；鹽浴氮碳共滲試樣表面磨痕中出現(xiàn)黏著磨屑和撕裂痕跡，這說明試樣在磨損過程中產(chǎn)生了塑性流變，磨損機理為黏著磨損。因此，QPQ鹽浴復(fù)合處理試樣的耐磨性能比鹽浴氮碳共滲試樣的有明顯提高。

圖4 經(jīng)不同優(yōu)化QPQ鹽浴復(fù)合處理與鹽浴氮碳共滲后試樣表面磨損SEM形貌Fig.4 Wear SEM morphology of samples treated by different optimized QPQ complex salt bath treatment and salt bath nitrogen carburizing: (a) carbonitriding at 610 ℃ for 1.5 h and oxidation at 400 ℃ for 40 min; (b)carbonitriding at 580 ℃ for 3.5 h and oxidation at 400 ℃ for 40 min and (c) salt bath nitrogen carburizing

3 結(jié) 論

(1) QPQ鹽浴復(fù)合處理后，Ti6Al4V鈦合金表面所形成的滲層由表面至內(nèi)部依次為氧化層、疏松層和化合物層、擴散層。其中，氧化層厚度約為5 μm，疏松層和化合物層厚度為5～15 μm，擴散層厚度約為10 μm。

(2) QPQ鹽浴復(fù)合處理對磨損量影響最大的因素為氧化溫度，其次為共滲溫度，再次為氧化時間，最后為共滲時間，獲得最小磨損量的最佳工藝為610 ℃共滲1.5 h，400 ℃氧化40 min；對摩擦因數(shù)影響最大的因素為共滲溫度和氧化溫度，其次為氧化時間，最后為共滲時間，獲得最小平均摩擦因數(shù)的最佳工藝為580 ℃共滲3.5 h，400 ℃氧化40 min。

(3) 采用優(yōu)化的QPQ鹽浴復(fù)合處理后，最小平均磨損量和最小平均摩擦因數(shù)分別為1.11 mg和0.246 7，比氮碳共滲試樣的分別降低了38.3%和21.8%。

[1] 李遠輝,羅德福,代燕芹.QPQ處理的N80油田鋼管的抗腐蝕性能[J].金屬熱處理,2007,32(2):46-49.

[2] 張高會,張平則,崔彩娥,等.鈦合金及其表面處理的現(xiàn)狀與展望[J].世界科技研究與發(fā)展,2003,25(4):62-67.

[3] 陳飛,周海,張躍飛,等.鈦合金表面加弧輝光離子無氫滲碳層的摩擦磨損性能研究[J].摩擦學學報,2005,25(2):121-125.

[4] 郭華鋒,孫濤,李菊麗,等.TC4鈦合金表面等離子噴涂Ni基WC涂層的組織及性能分析[J].中國表面工程,2013,26(2):21-28.

[5] GURRAPPA I.Characterization of titanium alloy Ti-6Al-4V for chemical,marine and industrial applications[J].Materials Characterization,2003,51(2/3):131-139.

[6] LI J,YU Z,WANG H,etal.Microstructural characterization of titanium matrix composite coatings reinforced by in situ synthesized TiB + TiC fabricated on Ti6Al4V by laser cladding[J].Rare Metals,2010,29(5):465-472.

[7] 張文光,王成燾,劉維民.鈦合金表面改性層的摩擦學性能[J].摩擦學學報,2003,23(2):91-94.

[8] ANANTH M P,RAMESH R.Reciprocating sliding wear performance of hard coating on modified titanium alloy surfaces[J].Tribology Transactions,2015,58(1):169-176.

[9] 姬壽長,李爭顯,杜繼紅,等.Ti6Al4V合金表面無氫滲碳層分析[J].稀有金屬材料與工程,2010,39(12):87-91.

[10] 魏超,羅勇,強穎懷,等.鈦合金的表面滲碳工藝及其耐磨性能[J].機械工程材料,2008,32(1):37-39.

[11] MARIN E,OFFOIACH R,REGIS M,etal.Diffusive thermal treatments combined with PVD coatings for tribological protection of titanium alloys[J].Materials & Design,2016,89:314-322.

[12] LIU X,LIU L,SUN B,etal.The preparation of titanium carbide thin film of Ti6Al4V at low temperature and study of friction and wear properties[J].Journal of Measurements in Engineering,2016,4(3):167-172.

[13] LI Y H,LUO D F,WU S X.Effect of QPQ salt bath oxidation on corrosion resistance[J].Solid State Phenomena,2006,118(5):209-214.

[14] 羅德福,李惠友.QPQ技術(shù)的現(xiàn)狀和展望[J].金屬熱處理,2004,29(1):39-44.

[15] LI X M,HAN Y.Mechanical properties of Ti(C0.7N0.3) film produced by plasma electrolytic carbonitriding of Ti6Al4V alloy[J].Applied Surface Science,2008,254(20):6350-6357.