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如何提高钛合金阀门的耐磨性

来源:钛板,钛棒,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2015-4-23 10:20:55
钛合金阀门开发时的最大课题是耐磨性表面处理技术的开发。TiN涂层、Mo注射层及Cr喷镀等表面处理均成本高、且难以长时间维持其耐磨性,不适合大批量生产。最适宜的方法就是氧化处理,即在中固溶高浓度的氧,其硬度上升,内部得到了较厚的硬化层。氧化处理基本上是在大气中高温区加热并保温的单纯热处理。但抗蠕变性能低的Ti-6Al-4V制阀属通常的退火组织,在处理中因自重易发生变形。抗蠕变性优良的针状组织为阀的基本组织,但这种组织的延性及疲劳性能较低。因此在β区加热后,通过控制各种冷却条件,防止粗大的α相在晶界析出,就可得到很微细的针状组织,在确保高延展性及与等轴组织一样的疲劳性的同时成功控制了氧化处理时的蠕变变形。采用从实际制造过程中阀轴部切出的试样,评价了其拉伸性能,拉伸性能高达980MPa以上,延伸率也高达12%以上。并确认,即便是针状组织也得到了不逊色于等轴材的高的疲劳特性。使用中暴露在高温下的排气阀使用的代表性合金是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si(6242S)。但二轮车较四轮车阀更易长期暴露在高温区,所以又选用了耐热性更好的TImetaL1100(Ti-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)。该合金在实用钛合金中是耐热性最好合金之一,但其耐用温度约为600℃,而二轮排气阀则要求要有800℃左右的耐热性,所以必须选择最佳的热处理条件,再探讨是否适用。因此在不同的热处理条件下,评价了在室温~800℃下的拉伸特性、耐高温蠕变特性,冲击特性及疲劳特性,以把握最好的材料特性匹配,并在合适的条件下制作发动机阀。
 
施以氧化硬化层以提高阀的耐磨性,但若条件控制得不好,确保的疲劳性能有可能出现极端降低。因此把握最佳的热处理条件特别重要。因此在670~820℃的温度范围施以1~16h的大气热处理,在测定表面性状及表层部硬度分布的同时调查氧化处理条件对疲劳性能的影响。施以最佳热处理的www.hvw00.com在室温~700℃的温度范围,其0.2%屈服强度高于普通钢制排气阀材SUH35,在800℃附近两者基本相同。该合金在800℃下的疲劳性能与SUH35也相同。最担心的抗高温蠕变性能也优于SUH35。也就是说对该合金处理以适当的热处理,就可确保阀的各种特性。图2所示为在不同的温度下的施以1h氧化处理的试样的表层硬度分布。图3所示为在670℃及820℃下不同时间的氧化处理试样的表层硬度分布。随着处理温度的升高,氧在钛合金内部的扩散距离增长,在更深层就可得到高硬度值。如,在这次试验条件的温度范围内,在最高温长时间的820℃下,4h氧化处理的试样约为50μm,在最低温短时间的670℃,1h处理的试样硬化厚度约为10μm。在表面生成的氧化蚀刻(Ti02),氧就从这里扩散到基体中,在蚀刻正下方最表层部的硬度无论在哪种条件下施以热处理其硬度均是相同的。然而在显微维氏硬度测定可能表层到数μm的深度,在不同的热处理条件下确认有较大的硬度差。同时在一部分的高温长时间的氧化处理条件下,氧化硬化层产生了裂纹,这说明氧化处理不合适。
 
按照上述的顺序所得的氧化硬化层厚度与处理条件的关系,在实际生产中按照这个数据制作了施以氧化处理的发动机阀,并评价了疲劳性能及耐磨性。图4所示为制作的阀施以重复弯曲应力测定的氧化处理阀的S-N曲线。该试验方法可参照文献9。氧化硬化层一增厚,疲劳强度就降低,在670℃处理材中接近未氧化处理的材料则得到了高疲劳强度。在选择氧化处理条件应考虑耐磨性,在考虑到阀的耐磨寿命与要求疲劳特性时应决定合适的氧化处理条件。
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