表面复合改性钛合金的抗疲劳性及耐磨性

钛合金的摩擦系数大，耐磨性差，因而在滑动等摩擦发生的构件和机械部位的使用上存在问题。为此，进行了许多以钛合金为对象的表面改性研究。其中在较高温度进行的氯化、渗碳以及氧化等热处理方法，由于其表面硬化层与钛合金基体是一体的，结合性好，较多地得到应用。但热处理有时会导致疲劳强度下降。等离子热扩散处理可在较低温度下进行，可在一定程度上防止疲劳强度下降，但不可改善其疲劳强度。表面特性对疲劳强度的影响很大，因此寻求先进表面改性技术及其复合处理技术，形成耐磨性及抗疲劳性都好的表面层尤其重要。以固溶时效处理的沙漏型Ti-6Al-4V 合金圆棒(最小直径6 mm)为实验材料，在较低温度下对其进行等离子渗碳处理(PC)，之后进行球接触式滚压(DR)以及高速喷丸(SP)的复合处理。对复合改性处理的试样进行了表面性状、表面层残余应力及显微维氏硬度(HV)的测定。结果表明，经PC+DR 处理的试样表面非常光滑，Ra为0.2 μm，而PC+SP 试样表面Ra达1.7 μm。PC+DR 处理后表面压缩残余应力的影响深度约为500 μm，而PC +SP 试样表面近旁残余应力非常高，其后急剧下降，影响深度约100 μm。另外，复合处理(PC +DR 及PC +SP)试样的HV 均高于单独处理的试样。疲劳试验结果表明，表面复合改性(PC+DR，PC +SP)试样的疲劳寿命(由S-N曲线表示)均大大高于未处理及单独PC 处理的试样。摩擦磨损试验也表明复合处理试验的磨耗量大大小于单独处理的试样。缺口疲劳试验表明，PC 单独处理的试样缺口疲劳寿命比未处理试样要低，而经PC+DR 及DR 单独处理试样的疲劳寿命均大幅度提高。将以上试验结果应用于TC4 钛合金紧固件螺栓，将棒材头部热锻后经固溶时效热处理后，切削、研磨加工成螺栓坯件，进行等离子低温渗碳处理后，在头部与轴部间的肩部进行DR 处理，在其径部加工螺纹。测试表明，这种螺杆与未改性螺杆相比，紧固轴力非常高，螺纹面摩擦系数小，具有高的紧固力，紧固试验后的SEM 观察表明，改性处理后磨耗痕迹极小，无剥落及裂纹，疲劳强度高，具有良好的紧固性能。吴全兴摘译自《チタン》