Ti6Al4V表面渗碳改性层的制备及其摩擦学特性研究
Ti6Al4V表面渗碳改性层的制备及其摩擦学特性研究
本课题主要研究在不同的渗碳剂、渗碳温度、渗碳时间条件下对Ti6Al4V合金进行渗碳处理，然后分别采用X-射线衍射仪、扫描电镜、摩擦磨损实验对其进行结构、组织形貌、耐磨性表征研究。结果表明：随着渗碳比例的增加，渗碳层中的TiC结构减少，组织表层的均匀性下降，耐磨性也随之降低；随着渗碳温度的提高，渗碳层中的TiC增加，组织表层刚开始变的越来越均匀，之后则与先前阶段相反，耐磨性先降低后升高；随着渗碳时间的延长，渗碳层中的TiC不断增加，组织表层则越来越粗糙不均匀，耐磨性则下降。通过观察分析得出在纯C、900℃、40min条件下的试样的结构、组织、耐磨性最好。
关键词 Ti6Al4V合金，摩擦系数，渗碳，磨损
1 引言 1
1.1 Ti6Al4V合金的性能 1
1.2 Ti6Al4V合金的应用 1
1.3 Ti6Al4V合金在临床应用中存在的问题 2
1.4 国内外Ti6A14V表面改性现状 2
1.5 渗碳处理 3
1.6 可行性 4
1.7 研究意义 4
1.8 本课题研究的内容和流程 4
2 试样制备及表征 5
3.1 实验材料 5
3.2 实验设备 6
3.3 实验过程 6
3 实验结果分析 10
3.1 渗碳剂渗碳层的影响分析 10
3.2 渗碳温度对渗碳层的影响分析 14
3.3 保温时间对渗碳层的影响分析 18
3.4 参数优化 22
结论 23
致谢 24
参考文献25
1 引言
随着医疗事业的发展，现在的金属材料越来越不能满足现如今的状况。因此，人们也就越来越重视金属材料在医疗方面的应用，开始研究各种各样的金属材料。其中Ti6Al4V这种金属材料拥有良好的特性，被广泛应用与各种医疗设备上。但是Ti6Al4V也有美中不足，因此现如今越来越多的人开始研究Ti6Al4V，通过各种方法来改进其性能，从而获得性能优异的Ti6Al4V合金。
1.1 Ti6Al4V合金的性能
Ti6Al4V具有密度小、比强度高等优点[1]，而且还拥有良好的抗蚀性能，在恶劣的环境下不容易被腐蚀，可以作为工业部门的重要结构材料[2]。如今Ti6Al4V也走进了人们的生活中，由于其质量、轻密度高的性能，被制作成了高尔夫球杆等生活娱乐用品。Ti6Al4V具有良好的性能，因此越来越受到人们的重视。各国专家也纷纷研究Ti6Al4V合金，从而找到了许多提高其性能的方法。
1.2 Ti6Al4V合金的应用
钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性能优异、生物相容性好、工作温度高等良好性能而被广泛地应用于航空、汽车、化工、医疗等领域[3-5]。
（1）在航空方面，用于制造飞机上各种零件，小至螺钉、螺母等紧固件，大至机身骨架、发动机叶片、蒙皮、隔框等结构件，甚至能制造出 6m 多长、重达 2t 的起落架。
（2）在汽车应用方面，可以减轻质量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动从而满足汽车在恶劣环境中的要求。
（3）在化工方面，由于钛及钛合金具有优良的抗蚀性能，因此在氯碱工业中钛是最好的抗蚀材料，主要用于制作耐腐泵、阀门、叶轮等[6]。
（4）在医学方面，Ti6Al4V做出了卓著的贡献。钛没有毒性和过敏反应，同时质轻、强度高且具有优良的生物相容性和化学稳定性，在用于人体硬组织修复的金属材料中，钛的弹性模量与人体组织最接近，因此是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物，如钛合金义齿支架、人工关节、假肢等。
1.3 Ti6Al4V合金在临床应用中存在的问题
Ti6Al4V合金具有许多的优点，并已成为新工艺、新技术、新装备不可缺少
的金属材料之一[7]。但是Ti6Al4V合金也存在许多不足之处，限制了其进一步的应用。主要表现在差的耐磨性上：钛合金硬度较低，表面易发生氧化，生成TiO2氧化膜，该氧化膜在摩擦接触中易发生脱落，脱落下来的氧化物加速了关节表面的磨粒磨损[8]。摩擦过程中产生的大量金属粒子聚集在关节附近会污染周围组织，引发不良生化反应，导致疼痛和功能障碍[9]。而且由于Ti6Al4V的硬度低耐磨性差，当用作滑动部件时，易产生磨损从而损坏零件。同时Ti6Al4V合金含有钒和铝，随着植入体植入时间的增长，钒和铝会溶解进入体液，它们对身体有毒害作用。其中铝元素可引起骨软化、贫血和神经紊乱，诱发老年痴呆症等症状；钒在生物体内聚集于骨、肝、肾、脾等器官，其毒性超过 Ni和Cr，甚至可能致癌。钒铝在对人体产生不良影响的同时，还会引发组织反应，导致植入体产生无菌松动，致使植入失效[10]。
1.4 国内外Ti6A14V表面改性现状
Ti6Al4V有良好的性能但却有许多不足之处，为此改进Ti6Al4V已成为一种热点[11-12]。通常是对钛合金进行表面处理，在其表面形成耐磨镀层，改善其摩擦学性能。现如今有以下几种改进方法。
1.4.1 微弧氧化
微弧氧化技术是一种新近发展起来的特别适用于钛、铝、镁等金属的表面改性处理技术。其氧化产物是一种多孔的、与基质结合牢固的、具有陶瓷特性的氧化物，这层氧化物与钛合金基体相比，其耐磨、耐蚀、电绝缘等性能得到明显的改善[13]。
微弧氧化应用广泛，能够降低成本。例如一汽红旗世纪星轿车发动机壳体、镁合金高压热水交换管、镁合金轮毂、铝合金微型冲锋枪托架、铝合金发动机缸体、柴油发动机活塞的表面处理均采用微弧氧化技术进行生产，其成本只有硬质阳极氧化和电镀硬铬的1/3~1/4[14]。
1.4.2 非金属离子注入
利用B、C、N、P 等非金属离子注入钛合金后，在合金表面生成了硼化物、碳化物、氮化物等，提高了材料的硬度和耐磨性[9]。不同的离子具有不同的效果，其中离子注入在生物材料表面改性中被广泛应用。目前，采用离子注入对Ti6Al4V合金表面进行改性的研究大量集中在非金属离子注入改性方面：包括C、N、O、
B、P等非金属离子注入表面改性。例如德国的H.SCHMIDT等采用铂和金离子对Ti6Al4V进行注入改性研究，由于显微硬度的提高和表面氧化层厚度的降低，降低了Ti6Al4V的磨损[10]。
1.4.3 喷丸强化
喷丸强化使Ti6Al4V合金表面晶粒细化，获得较大的残余应力，从而提高表面硬度和耐磨性，适合大面积Ti6Al4V合金工件表面改性[15]。但是效果不及其他方法，一般都把喷丸强化作为预处理。例如运用喷丸强化来改善Cr12钢制线切割落料模性能。能够是其增加一道喷丸强化处理工艺，改善线切割落料模变质层的性能[16]。
1.4.4 激光表面改性技术
通过激光表面织构化处理后，Ti6Al4V合金表面形成规则排列的直线织构、网格织构和点阵状织构从而提高其硬度耐磨性[17]。各种结构的硬度和耐磨性也各不相同，其中点阵结构的硬度最好，直线结构最差。
激光表面改性技术有广泛的应用前景。它可以延长在各种恶劣工作条件下的汽车零部件例如汽缸、阀门等构件的使用寿命，从而提高汽车整体的使用性能。
1.5 渗碳处理
渗碳处理是工业生产中一种经常运用到的方法。渗碳处理操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。渗碳处理后的工件表面能够获得渗碳层来提高表面硬度和耐磨性，同时能够保证工件内部的成分不变，从而不改变工件原有的性能。
渗碳处理常被应用与齿轮上，而齿轮则是各种机械的基础零部件。国外一些著名钢厂在渗碳结构钢的基础上开发出渗碳齿轮钢。与我国渗碳齿轮钢品种复杂、使用单一、质量较低、不成系列等状况相反，美国、德国、日本等工业发达国家已从使用要求、资源条件、经济耐用等角度出发，早已形成了各自特色的系列，并且从冶炼到使用整个流程制定了各自严格的质量检测标准[18]。日本Inala提出应用乙炔真空渗碳易于对汽车零部件、机械工具部件、模具部件和其他批量生产部件实现高浓度渗碳。在常规渗碳层上沉淀析出细小球状的碳化物，从而改善部件耐磨性和疲劳强度[19]。
1.6 可行性分析
渗碳处理方法简单，实验所需的设备也不复杂，渗碳剂也可以轻易获得。而且该试验操作简便只要注意安全便不存在危险情况。最重要的是，渗碳工艺能够保证Ti6Al4V合金内部成分不变，只在其表面形成涂层。该涂层的成分为碳化物，提高了硬度，从而也就可以提高Ti6Al4V合金耐磨性，同时还能保证Ti6Al4V合金的基本性能。渗碳处理后形成的梯度渗碳层，使得涂层结合强度较好，而且产生较少的渗碳淬火后变形，减少磨削精加工工序，降低零件生产成本，因此渗碳是一种可行的方法。
本课题主要研究在不同的渗碳剂、渗碳温度、渗碳时间条件下对Ti6Al4V合金进行渗碳处理，然后分别采用X-射线衍射仪、扫描电镜、摩擦磨损实验对其进行结构、组织形貌、耐磨性表征研究。结果表明：随着渗碳比例的增加，渗碳层中的TiC结构减少，组织表层的均匀性下降，耐磨性也随之降低；随着渗碳温度的提高，渗碳层中的TiC增加，组织表层刚开始变的越来越均匀，之后则与先前阶段相反，耐磨性先降低后升高；随着渗碳时间的延长，渗碳层中的TiC不断增加，组织表层则越来越粗糙不均匀，耐磨性则下降。通过观察分析得出在纯C、900℃、40min条件下的试样的结构、组织、耐磨性最好。
关键词 Ti6Al4V合金，摩擦系数，渗碳，磨损
1 引言 1
1.1 Ti6Al4V合金的性能 1
1.2 Ti6Al4V合金的应用 1
1.3 Ti6Al4V合金在临床应用中存在的问题 2
1.4 国内外Ti6A14V表面改性现状 2
1.5 渗碳处理 3
1.6 可行性 4
1.7 研究意义 4
1.8 本课题研究的内容和流程 4
2 试样制备及表征 5
3.1 实验材料 5
3.2 实验设备 6
3.3 实验过程 6
3 实验结果分析 10
3.1 渗碳剂渗碳层的影响分析 10
3.2 渗碳温度对渗碳层的影响分析 14
3.3 保温时间对渗碳层的影响分析 18
3.4 参数优化 22
结论 23
致谢 24
参考文献25
1 引言
随着医疗事业的发展，现在的金属材料越来越不能满足现如今的状况。因此，人们也就越来越重视金属材料在医疗方面的应用，开始研究各种各样的金属材料。其中Ti6Al4V这种金属材料拥有良好的特性，被广泛应用与各种医疗设备上。但是Ti6Al4V也有美中不足，因此现如今越来越多的人开始研究Ti6Al4V，通过各种方法来改进其性能，从而获得性能优异的Ti6Al4V合金。
1.1 Ti6Al4V合金的性能
Ti6Al4V具有密度小、比强度高等优点[1]，而且还拥有良好的抗蚀性能，在恶劣的环境下不容易被腐蚀，可以作为工业部门的重要结构材料[2]。如今Ti6Al4V也走进了人们的生活中，由于其质量、轻密度高的性能，被制作成了高尔夫球杆等生活娱乐用品。Ti6Al4V具有良好的性能，因此越来越受到人们的重视。各国专家也纷纷研究Ti6Al4V合金，从而找到了许多提高其性能的方法。
1.2 Ti6Al4V合金的应用
钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性能优异、生物相容性好、工作温度高等良好性能而被广泛地应用于航空、汽车、化工、医疗等领域[3-5]。
（1）在航空方面，用于制造飞机上各种零件，小至螺钉、螺母等紧固件，大至机身骨架、发动机叶片、蒙皮、隔框等结构件，甚至能制造出 6m 多长、重达 2t 的起落架。
（2）在汽车应用方面，可以减轻质量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动从而满足汽车在恶劣环境中的要求。
（3）在化工方面，由于钛及钛合金具有优良的抗蚀性能，因此在氯碱工业中钛是最好的抗蚀材料，主要用于制作耐腐泵、阀门、叶轮等[6]。
（4）在医学方面，Ti6Al4V做出了卓著的贡献。钛没有毒性和过敏反应，同时质轻、强度高且具有优良的生物相容性和化学稳定性，在用于人体硬组织修复的金属材料中，钛的弹性模量与人体组织最接近，因此是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物，如钛合金义齿支架、人工关节、假肢等。
1.3 Ti6Al4V合金在临床应用中存在的问题
Ti6Al4V合金具有许多的优点，并已成为新工艺、新技术、新装备不可缺少
的金属材料之一[7]。但是Ti6Al4V合金也存在许多不足之处，限制了其进一步的应用。主要表现在差的耐磨性上：钛合金硬度较低，表面易发生氧化，生成TiO2氧化膜，该氧化膜在摩擦接触中易发生脱落，脱落下来的氧化物加速了关节表面的磨粒磨损[8]。摩擦过程中产生的大量金属粒子聚集在关节附近会污染周围组织，引发不良生化反应，导致疼痛和功能障碍[9]。而且由于Ti6Al4V的硬度低耐磨性差，当用作滑动部件时，易产生磨损从而损坏零件。同时Ti6Al4V合金含有钒和铝，随着植入体植入时间的增长，钒和铝会溶解进入体液，它们对身体有毒害作用。其中铝元素可引起骨软化、贫血和神经紊乱，诱发老年痴呆症等症状；钒在生物体内聚集于骨、肝、肾、脾等器官，其毒性超过 Ni和Cr，甚至可能致癌。钒铝在对人体产生不良影响的同时，还会引发组织反应，导致植入体产生无菌松动，致使植入失效[10]。
1.4 国内外Ti6A14V表面改性现状
Ti6Al4V有良好的性能但却有许多不足之处，为此改进Ti6Al4V已成为一种热点[11-12]。通常是对钛合金进行表面处理，在其表面形成耐磨镀层，改善其摩擦学性能。现如今有以下几种改进方法。
1.4.1 微弧氧化
微弧氧化技术是一种新近发展起来的特别适用于钛、铝、镁等金属的表面改性处理技术。其氧化产物是一种多孔的、与基质结合牢固的、具有陶瓷特性的氧化物，这层氧化物与钛合金基体相比，其耐磨、耐蚀、电绝缘等性能得到明显的改善[13]。
微弧氧化应用广泛，能够降低成本。例如一汽红旗世纪星轿车发动机壳体、镁合金高压热水交换管、镁合金轮毂、铝合金微型冲锋枪托架、铝合金发动机缸体、柴油发动机活塞的表面处理均采用微弧氧化技术进行生产，其成本只有硬质阳极氧化和电镀硬铬的1/3~1/4[14]。
1.4.2 非金属离子注入
利用B、C、N、P 等非金属离子注入钛合金后，在合金表面生成了硼化物、碳化物、氮化物等，提高了材料的硬度和耐磨性[9]。不同的离子具有不同的效果，其中离子注入在生物材料表面改性中被广泛应用。目前，采用离子注入对Ti6Al4V合金表面进行改性的研究大量集中在非金属离子注入改性方面：包括C、N、O、
B、P等非金属离子注入表面改性。例如德国的H.SCHMIDT等采用铂和金离子对Ti6Al4V进行注入改性研究，由于显微硬度的提高和表面氧化层厚度的降低，降低了Ti6Al4V的磨损[10]。
1.4.3 喷丸强化
喷丸强化使Ti6Al4V合金表面晶粒细化，获得较大的残余应力，从而提高表面硬度和耐磨性，适合大面积Ti6Al4V合金工件表面改性[15]。但是效果不及其他方法，一般都把喷丸强化作为预处理。例如运用喷丸强化来改善Cr12钢制线切割落料模性能。能够是其增加一道喷丸强化处理工艺，改善线切割落料模变质层的性能[16]。
1.4.4 激光表面改性技术
通过激光表面织构化处理后，Ti6Al4V合金表面形成规则排列的直线织构、网格织构和点阵状织构从而提高其硬度耐磨性[17]。各种结构的硬度和耐磨性也各不相同，其中点阵结构的硬度最好，直线结构最差。
激光表面改性技术有广泛的应用前景。它可以延长在各种恶劣工作条件下的汽车零部件例如汽缸、阀门等构件的使用寿命，从而提高汽车整体的使用性能。
1.5 渗碳处理
渗碳处理是工业生产中一种经常运用到的方法。渗碳处理操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。渗碳处理后的工件表面能够获得渗碳层来提高表面硬度和耐磨性，同时能够保证工件内部的成分不变，从而不改变工件原有的性能。
渗碳处理常被应用与齿轮上，而齿轮则是各种机械的基础零部件。国外一些著名钢厂在渗碳结构钢的基础上开发出渗碳齿轮钢。与我国渗碳齿轮钢品种复杂、使用单一、质量较低、不成系列等状况相反，美国、德国、日本等工业发达国家已从使用要求、资源条件、经济耐用等角度出发，早已形成了各自特色的系列，并且从冶炼到使用整个流程制定了各自严格的质量检测标准[18]。日本Inala提出应用乙炔真空渗碳易于对汽车零部件、机械工具部件、模具部件和其他批量生产部件实现高浓度渗碳。在常规渗碳层上沉淀析出细小球状的碳化物，从而改善部件耐磨性和疲劳强度[19]。
1.6 可行性分析
渗碳处理方法简单，实验所需的设备也不复杂，渗碳剂也可以轻易获得。而且该试验操作简便只要注意安全便不存在危险情况。最重要的是，渗碳工艺能够保证Ti6Al4V合金内部成分不变，只在其表面形成涂层。该涂层的成分为碳化物，提高了硬度，从而也就可以提高Ti6Al4V合金耐磨性，同时还能保证Ti6Al4V合金的基本性能。渗碳处理后形成的梯度渗碳层，使得涂层结合强度较好，而且产生较少的渗碳淬火后变形，减少磨削精加工工序，降低零件生产成本，因此渗碳是一种可行的方法。
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