真空渗氮论文（精选3篇）
真空渗氮论文 篇1
材料的破坏往往从表面开始, 诸如磨损、腐蚀、高温氧化等, 表面的局部损坏又往往造成整个部件失效, 最终导致停产。因此改变材料的表面性能, 能有效的延长其使用寿命、节约资源、提高生产效率、减少污染。为提高钢材的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗腐蚀能力, 在工业生产中常对钢材进行表面渗氮处理。近年来, 渗氮工艺的发展主要围绕缩短工艺周期、提高生产率和强化渗层的性能方面进行的, 以真空热处理为主导的节能、环保型“绿色热处理”已经成为当今热处理的发展方向[1]。
随着我国石油的深层次开发, 面临的环境问题也越来越复杂, 石油用材腐蚀问题越来越突出。为解决采油过程中油管普遍存在的腐蚀、偏磨问题, 本文尝试对J55油管钢进行真空脉冲渗氮处理, 通过室内试验和现场应用研究, 旨在为油管安全长效生产提供可靠的防腐措施, 减少腐蚀、磨损等因素带来的巨大经济损失。
1真空脉冲渗氮工艺的机理、特点、流程和渗氮层组织
1.1工艺的机理
渗氮是指钢铁零件在活性氮的介质中, 在一定温度和保温时间条件下, 使其表面渗入氮原子并形成氮化合物层和扩散层的一种化学热处理工艺。钢铁的渗氮过程包括渗剂的分解反应、相界面反应、氮在钢铁中的扩散及扩散过程中氮化物的形成 (指渗氮钢中合金氮化物的形成) 等过程, 每个过程都会影响到渗氮层的深度。
渗氮工艺使用最多的介质是氨气, 在渗氮温度时, 氨是亚稳定的, 它的发生如下分解反应:
当活性氮原子遇到铁原子时则发生如下反应:
考虑氨气能尽快地到达工件表面时再进行吸附和分解, 使分解后的活性氮原子能及时地被工件吸收, 达到渗氮目的, 工件表面不允许有油污及生锈, 否则因氮原子与工件表面隔离, 影响渗氮效果[2]。
1.2工艺的特点
真空脉冲渗氮采用负压→正压→……交替转换 (脉冲) 的换气方式, 先将渗氮炉抽气, 使炉内达到很高的真空度, 然后通过氨气进行脉冲渗氮。负压时, 将炉内陈旧气体排出, 正压时能迅速输入新鲜气氛, 不会形成换气死角, 可以达到无缝不钻、无孔不入的境地。通过改变真空脉冲渗氮的炉压、氨流量、温度等工艺参数, 可以控制渗氮层的相成分、结构、厚度、硬度, 达到提高渗层质量, 满足综合使用性能的要求。真空脉冲渗氮与普通气体渗氮相比, 具有很多优点[3]。
(1) 提高渗层质量
在真空状态下加热, 工件表面被净化, 提高表面活性, 并有脱气效果, 从而提高所渗元素在工件表面的吸附能力和扩散速度, 容易获得致密均匀的渗层, 防止 (或大大减轻) 内氧化、氢脆、疏松等缺陷。
(2) 提高渗速、缩短生产周期
工件入炉后, 可迅速抽出炉内空气, 比常规法的换气时间缩短许多, 而且换气较为彻底。工作过程中, 每一脉冲周期交换一次炉气, 使附在工件表面的滞留气薄层迅速遭到破灭, 随之代以新鲜炉气。渗入元素在表面的吸附速度和反应速率得到有效提高, 从而使渗速加快, 因此, 真空渗氮速率比普通气体渗氮快3～4倍。
(3) 盲孔、深孔、狭缝等工件可获得均匀的渗氮层
由于脉冲过程是以抽气一充气或充气一放气交替更换炉气, 新老气交换可以到达任何部位和角落, 解决了对于带有深孔、盲孔、狭缝的零件渗不到或渗层不均等技术难题。
(4) 无污染
工作期间产生的废气被抽到室外的密封水箱中溶解 (水中加有消除毒物的无毒化学药品) , 经处理后的废水无毒、无污染, 可任意排放, 为绿色环保热处理。
1.3工艺的流程
渗氮前首先对油管内外表面进行钢丸喷砂处理, 除去氧化皮等表面的异物, 使其露出金属光泽。将真空炉排气至较高真空度0.133 Pa后, 对真空炉进行加热至450℃, 再将油管挂好烘干后送入渗氮炉中, 接着又抽真空同时送入氮气和氨气, 以氨气为主的, 含有活性物质的多种复合气体, 并对各种气体的送入量进行精确控制, 炉压控制在0.667 Pa, 对工件升温至530～570℃, 保温4～6 h。在此期间内, 要求每小时至少进行1～2次抽真空和通氨气的循环交替, 以提供足够的氮原子, 同时增大渗氮气氛的流动性, 使工件表面渗层均匀一致。当渗氮完成后, 用炉内惰性气体进行快速冷却。最后对油管进行涂油, 入库。不同的材质, 在生产时为控制渗层质量, 要进行工艺参数的调节, 经此处理后可得到渗层深为20～80 μm、硬化层硬度为650～1 500 HV。
1.4渗氮层的组织
在真空脉冲渗氮过程中, 采用脉冲送气和抽气方式, 炉内氨气不断更新, 避免出现滞留气体, 使油管内外表面经常能与新鲜的氨气接触, 因而可以得到均匀的渗层。由于氮和钢中其它元素的扩散和化合形成沉淀相, 便产生两种不同的区域。
在材料表面, 可能形成铁和氮的金属间化合物, 这一层很薄, 当氮浓度很低时, 为Fe4N的γ初晶的面心立方结构;当氮含量高时, 为Fe2-3N的密排六方晶格, 为ε相。这种渗层不易腐蚀、硬度高、耐磨 (俗称白亮层) , 且随着炉气压力的降低, 由于局部脱气作用使表面化合物层内的孔隙程度减轻或消失, 因而形成致密均匀且脆性小的化合物层。
位于白亮层下面的那层称为扩散层, 它是氮元素扩散进入材料而形成的, 它与处理温度、时间和被处理材料有关, 这一区域的硬化是固溶强化和沉淀硬化的结果, 因此, 扩散层的硬化程度取决于合金的氮含量和氮化前的材料状态[4,5]。
2真空脉冲渗氮油管的性能研究
2.1耐磨性能
利用MPX—200型盘销式摩擦、磨损试验机, 对几组试样进行耐磨性试验, 结果如表1及表2。
渗氮J55销试样和20CrMo盘试样的对磨结果是:后者的磨损量是前者的28.2倍;J55销试样和20CrMo盘试样的对磨结果是:后者的磨损量是前者的2.5倍。
从中可以得出结论:J55试样渗氮后的耐磨性能显著提高, 计算表明, 渗氮J55试样的耐磨损性为未经渗氮试样耐磨损性能的113倍。
这是由于真空脉冲渗氮中循环交替抽真空, 使工件表面活性化和洁净化, 促进了氮原子的扩散渗入。化合物层中两种可能的氮化物都非常硬的, 超过HV650;扩散层中因溶解了大量的氮原子使其微观应力显著增高, 从而也大大提高了扩散层的硬度。因此, 经真空脉冲渗氮后的油管, 氮化层良好的耐磨性及较高的表面硬度能很好地抑制油管内孔的偏磨。
2.2耐腐蚀性能
将J55试样和J55渗氮试样分别置于相同的模拟油田环境的介质中, 测量其腐蚀前后的清洁干燥时的尺寸和重量, 记录数据并计算其腐蚀速率。试验结果如表3。
试验表明, 在同样介质条件下, 无氮化层试样的腐蚀速率是有氮化层腐蚀速率的8.2倍, 有氮化层的平均腐蚀速率大大降低。说明氮化层在模拟油田腐蚀环境中有很好的抗蚀性。
这是因为真空脉冲渗氮时, 表层获得比较致密均匀的ε相或γ相层, 使钢件表面的电极电位显著升高, 降低了腐蚀电池的电位差, 使腐蚀电流密度减小, 从而减缓了管材表层的腐蚀。
2.3上、卸扣性能
对10根J55渗氮油管随机组合, 在扭矩试验系统上进行上、卸扣试验。试验方法参考API RP 5C1, API RP 5C5中的有关规定, 并按API RP 5C1推荐的最大上扣扭矩进行上、卸扣试验, 结果显示所有油管均无粘扣现象发生。
这是因为经过真空脉冲渗氮处理的油管螺纹表面硬度可达HV650以上, 对油管螺纹副失效有良好的防护作用, 由于不改变螺纹尺寸精度, 保证了良好的防粘扣特性。
3真空脉冲渗氮油管的现场应用
从2002—2007年, 真空脉冲渗氮油管在大庆油田的6口注水采油井和的4口天然气井上进行了现场应用, 结果表明:在偏磨严重的油井中, 氮化油管的使用寿命比普通油管延长了3—4倍;在腐蚀严重的水井中, 氮化油管的使用寿命比普通油管延长了4—6倍。且处理价格不超过常规防腐油管的价格, 从长期效果来看可较大幅度的降低注水井维护费用, 即减少防腐油管的更换量;丝扣可确保多次起下后保持好的密封性, 避免普通油管丝扣在较少的起下次数后磨损漏失的弊端;不改变油管内径尺寸, 保证测试投捞的成功率;在施工时因防腐层与油管一体, 避免了涂镀类型防腐油管防腐层易被损伤的弊端;真空脉冲渗氮油管在大庆油田有广阔的应用前景, 并且通过延长油管的服役周期, 减少油管的更换量, 有利于油田综合成本的控制, 提高经济效益。
4结论
(1) 真空脉冲氮化后的J55钢试样硬度可达HV650以上, 耐磨性能提高113倍, 氮化层的良好耐磨性可以很好地抑制油管偏磨。
(2) 对J55钢试样进行失重法腐蚀试验可知, 在同样介质条件下, 无氮化层试样的腐蚀速率是有氮化层腐蚀速率的8.2倍, 有氮化层的平均腐蚀速率大大降低。说明氮化层在模拟油田腐蚀环境中有很好的抗蚀性。
(3) 对10根J55渗氮油管随机组合进行上、卸扣试验, 均无粘扣现象发生。
(4) 室内试验和现场应用表明, 真空脉冲渗氮油管在大庆油田环境中表现出较好的耐磨抗蚀性能, 可以广泛推广使用。
摘要：针对采油过程中油管普遍存在的腐蚀、偏磨问题, 利用真空脉冲渗氮技术, 对J55油管钢进行了渗氮处理。室内试验和现场应用表明, 渗氮后的油管表面硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能及上、卸扣性能均有显著提高, 真空脉冲渗氮技术能较好地解决油井介质腐蚀油管问题, 是一种可以推广的节能、环保型热处理新技术。
关键词：真空脉冲渗氮,油管,耐磨性能,耐腐蚀性能,上、卸扣性能
参考文献
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真空渗氮论文 篇2
与液体渗氮和离子渗氮相比较, 气体渗氮的升温、降温、表面吸附过程及界面反应速率较慢。为了探寻提高渗氮速度的途径与设备改进的方向, 在此做一分析、比较。
1 渗氮工艺过程的基本原理
目前广泛运用的渗氮工艺方法有3种, 即气体渗氮、盐浴渗氮 (液体渗氮) 和离子渗氮。它们最主要的区别在于表面吸附和界面反应速率的差别。一旦金属表面生成到了Fe[N]固溶体或者氮化物之后, 氮原子向内部的扩散原理与速度可以认为是相同的。
渗氮过程的基本原理如图1所示, 它分为两个主要过程, 首先是金属表面的物理、化学作用, 生成金属氮化物或间隙固溶体。然后在扩散激活能的驱使下, 氮原子向金属内部扩散并生成金属氮化物。显然, 第一阶段对渗氮工艺过程有着重要的影响。
1.1 液体渗氮
零件直接浸入熔盐中, 升温时间短。氮化层的形成动力和速度比在气相中要大, 要快。保温结束后, 零件可以立即空冷或油冷。因此, 渗氮过程比气体渗氮快得多。
1.2 离子渗氮
零件作为阴极在高压电场中受到氮离子的轰击, 氮离子的能量超过一般气体氮化条件下分解氨中的氮原子能量3000倍以上[1]。铁原子与处在激发状态下的氮离子化合成铁的氮化物并被吸附在因轰击而消除了钝化层的金属表面。这些区域由于金属晶格出现高密度的位错缺陷而具有强大的吸附能力, 从而很快完成第一阶段的化合反应。离子渗氮的升温和降温速度也大于气体渗氮。
1.3 气体渗氮
气体渗氮大多是在一个耐热钢罐中通入氨气, 排空空气后加热。由于罐体热容量大, 外热式加热的热传导慢, 所以升温、降温很慢。又因为气氛压力低, 吸附与界面反应速率低, 所以渗速较慢。
2 影响气体渗氮工艺的参数
气体渗氮控制的主要参数中, 人们对温度、时间、流量及氨分解率等对工艺过程的作用比较清楚, 而对炉压对渗氮过程的作用重视不够。炉压对气体渗氮的作用有以下几方面:
2.1 提高炉内气压可以增加零件表面的吸附量
在显微镜下观察金属表面是凹凸不平的。从化学观点看, 这些尖角、凸出边缘上的原子或离子, 它们的化合价大部分没有达到饱和, 化学性质最活泼, 容易和外界的分子结合, 这些部位称为活性中心。金属表面依靠未饱和化合价吸附气体分子称为化学吸附。此外, 依靠引力 (范德华力) 吸附气体分子, 称为物理吸附。根据物理化学原理, 金属表面所吸附的气体量, 由温度和压力决定。当温度恒定时, 决定于气体压力。弗伦德里希 (Freundlich) 根据大量的实验, 建立了吸附等温方程式:
式中, 为单位质量吸附的气体量;为经验常数;p为吸附平衡时气体的压力。
公式表明气体压力增大, 表面吸附量增加。
此外, 炉压增大, 意味着炉内氨气密度增大 (可由气体方程式推导出) 。气体密度增大, 可为表面吸附提供更多的机率。
2.2 提高炉压, 增加气体分子的动能
气体压强是分子碰撞力的宏观表现。由公式:可知, 压力p与分子的动能成正比关系。当炉压提高时, 氨气分子的动能大大提高, 对于克服金属表面的各种障碍和阻力大有帮助, 增加表面吸附量, 促进界面反应。
2.3 提高炉压可以提高界面反应速率
渗氮过程可看作是催化反应。假如反应机理是氨分子与金属表面相碰撞, 则反应速率与压力的关系为:
式中:N=6.023×1023;P为气体压力;R为气体常数;T为热力学温度;M为分子量;E为反应激活能。
由式 (2) 可知增高炉压, 可以提高界面反应速率和表层的氮化物量, 为扩散创造条件。
2.4 增高炉压可以提高渗氮气氛的活度
氨气在炉中的反应式为:
式中的Fe[N]为氮在铁中的固溶体。炉气中NN3、H2与固溶体中氮的活度αN之间存在着一定的关系:
氨气的分解是可逆反应。当压力增大时, NH3分解减少, NH3的分压PNH3增高, 所以αN也提高, 使渗氮活度增大。提高炉压, 氨分解率下降, 可以节约氨气达20%～30%。
2.5 提高炉压可以提高狭缝、深孔、盲孔、小孔等的渗氮能力
这些部位由于通气截面小, 气体流动受阻造成气体流速、流量减小, 靠近管壁附近的气体几乎不流动, 形成“粘滞流”。在管道中粘滞流的流量qv与气体的密度和压力梯度成正比:。当压力提高时, 气体密度提高, 压力梯度也大幅度提高, 从而促进这些部位氨气的流量增加, 提高渗氮能力。实践证明提高压力后, 这些部位渗层优良。
以上理论, 经生产实践验证是正确的。
3 提高气体渗氮炉渗氮速度的措施
3.1 内热式加热结构
目前国内的气体渗氮炉全是外热式加热结构, 即电加热元件在金属罐的外面, 零件装在罐内。电热元件首先将罐体加热到渗氮温度以上, 再由罐体的热能将罐内零件加热到渗氮温度。这种结构, 不仅热损失大, 而且热传导滞后, 控温困难, 使得升温慢, 降温也慢。
真空———高压渗氮炉, 采用内热式加热结构, 极大改善了升、降温慢的状态。控温灵敏度、准确度大幅度提高。
3.2 真空系统
配置真空系统有以下作用:一是预抽炉内的空气, 缩短通入氨气的时间, 防止零件氧化;二是真空状态下, 净化零件表面, 去除氧化膜层, 有利于吸附和界面反应;三是可以进行扩散处理, 减小高浓度表面层的脆性。
3.3 快冷系统
配置由通气回路, 热交换器和离心风机组成的风冷系统, 可以快速进行渗氮后的冷却, 提高渗层的性能, 减少渗层的脆性组织, 避免产生回火脆性现象。
3.4 高压充放气结构
目前国内气体渗氮炉压约为200mm水柱, 这主要是受炉体结构制约。真空———高压渗氮炉采用水冷炉壁, 按压力容器结构设计炉壳, 炉气压力可以达到0.01～1MPa, 比一般气体渗氮炉的炉压提高了50～500倍。炉体安装有可靠的充、放气控制系统。
3.5 脉动充气方式
按一定的周期, 使炉内气氛压力在一定范围内波动, 可以改善渗层质量。通过控制阀的充、放气达到这一目的。
通入炉中的氨气, 由液氨罐直接输入, 罐压保持在0.8～1.2MPa, 满足炉压0.1～1MPa的要求。
压力控制阀只有在炉内的氨气压力超过压力阀设定的上限时才开启, 一旦炉压低于控制值, 阀门立即关闭。因此, 不论炉子大小, 氨气消耗量都不大。由于排放量小, 热损失也不大。排出的气体通入水箱 (变成氨水) 后排出, 大大减小对环境的污染。
4 真空—高压渗氮炉的结构与用途
内热式结构如图2所示。
1.炉门2.加热室3.进气口4.炉壳5.风机6.风道7.排气口8.工件
加热室内有加热元件和测温元件。工件放在加热室中。炉壳按承受1MPa内压的压力容器制造, 使用压力在1MPa以下。风机、风道构成冷却系统。工件由炉外料车装卸。
该炉可用于渗氮、回火、低温退火。
5 高压渗氮的效果
(1) 渗速快。以38CrMoAl为例, 升、降温时间大大减少。保温期间的平均渗速可以达到0.03～0.04mm/h以上, 40Cr钢可以达到0.06～0.08mm/h以上。
(2) 硬度高。38CrMoAl可达HV1000;40Cr达到HV600以上
(3) 渗层均匀。小孔、深孔、盲孔均可得到均匀的渗层, 深度和硬度与外表面相差无几。
(4) 可将回火与渗氮合并进行, 因为有快冷系统, 完全消除了回火脆性和不良渗层组织。
(5) 操作方便。对装炉没有特殊要求, 可以堆放, 而渗层质量不受影响。
摘要：主要探讨了真空高压气体渗氮与普通气体渗氮的区别及真空高压渗氮炉的结构、性能。
关键词：气体高压渗氮,真空,氨气,氮化物
参考文献
[1]郭铮匀, 译.钢的氮化[M].北京:国防工业出版社, 1979:140, 142.
[2]翟宝隆.增压气体渗氮探讨[J].金属热处理, 1998 (8) :27-28.
真空渗氮论文 篇3
TB8钛合金是我国新研制的一种新型亚稳定β型钛合金,含有较多的Mo,因而极大改善了抗氧化性及抗腐蚀性,属于超高强度钛合金。该钛合金具有低温成型、焊接性、生物兼容性优异以及弹性模量较低等优点,在我国航天航空、机械制造及生物医学领域得到了较为广泛的应用。一般情况下,钛属于热力学不稳定金属,具有较负的致钝电位,易发生钝化,而且氧化膜极为稳定,钛合金具有抵抗大气、含氧介质、有机溶液、碱性介质及无机盐腐蚀的能力。但钛合金容易受到还原性酸特别是氢氟酸的腐蚀[1,2];与此同时,钛合金作为承力构件,实际使用中不可避免与结构钢、铝合金及铜合金等其他异种金属接触,受剪切、微动磨损、拉伸、压缩、弯曲及疲劳等共同作用,受力情况复杂,易导致氧化膜破裂,发生应力腐蚀和电偶腐蚀[3,4]。钛与氮反应形成的钛的氮化物具有硬度高、化学稳定性好及摩擦系数低等优点[5,6,7,8,9],因此,对钛合金进行表面渗氮处理,可有效地改善其表面硬度和耐腐蚀性能[10]。目前,对TB8钛合金的研究主要集中在热处理工艺及机加工方面,而对其表面改性特别是耐腐蚀性能方面鲜有报道。真空渗氮具有渗层厚,时间短,氮化物层稳定性好等优点[11]。为此,本工作对TB8合金进行间歇式真空渗氮处理,结合表面腐蚀形貌、腐蚀失重和电化学测试等方法综合评价其表面渗氮层的耐腐蚀性能。
1 试验
1.1 基材前处理
试验材料为TB8钛合金,其化学成分(质量分数,%)为15.31Mo,3.22Al,2.85Nb,0.03Fe,0.16Si,其余为Ti,相变点(α+β/β)为812℃,试验试样为退火态,尺寸为4.0 cm×2.0 cm×0.2 cm。
1.2 真空渗氮
真空渗氮选用SKGLG管式炉,试验温度820℃,渗氮压力为0.010~0.015 MPa,时间2 h。渗氮过程具体如下:将酒精清洗后的试样装入炉中,用氩气驱赶炉内空气,用真空泵将真空抽至5~20 Pa,然后将炉温上升到试验温度820℃,保温1 h后将真空泵关闭,接着向管式炉中通入高纯氮气,渗氮一定时间后,再抽真空保持一定时间,然后通气渗氮,循环该工艺操作过程,试验结束后取出试样进行测试。
1.3 性能测试
在50 m L/L HF+200 m L/L HNO3的混酸体系中进行加速腐蚀和电化学测试,以腐蚀速率、腐蚀形貌结合腐蚀电化学数据衡量试样的耐腐蚀性能。将相同尺寸的TB8钛合金原始试样及渗氮试样放入混酸体系中进行加速腐蚀10 min,腐蚀速率v计算公式如下:
式中v———试样的腐蚀速率,本试验为加速腐蚀,μm/min
ΔW———试样的腐蚀失重量,g
ρ———试样的密度,g/cm3
A———试样的面积,cm2
t———试样的腐蚀时间,min
用OLYMPUS型光学显微镜和JSM型扫描电镜进行渗层组织及腐蚀形貌分析。用Bio-logic电化学工作站进行电化学分析,以渗氮试样及原样为工作电极,扫描速率20 m V/min,动电位扫描范围-2.5~5.0 V。
2 结果与讨论
2.1 渗氮层的组织与相组成
图1为TB8钛合金经820℃间歇式渗氮2 h后渗氮层的XRD谱。由图1可知,TB8钛合金经真空渗氮后表面物相主要有Ti N、Ti3Al N、Al3Ti及α-Ti。对钛合金气体渗氮的扩散行为进行分析认为:钛合金气体渗氮时,由于Ti与N的亲和力比Al强,Ti与N将优先结合生成钛的氮化物,大量钛的氮化物形成,使得Ti N/Ti的界面处Ti含量减少,造成该处Al含量增加,Al将发生聚集,当Al含量达到饱和后,最后生成钛铝氮化物[12]。
图2为TB8钛合金真空渗氮2 h后氮化物层的金相组织。由图2可知,TB8钛合金经真空渗氮后截面渗氮层组织表层为钛的氮化物层,次表层为氮扩散区,基体组织为单一的β相,氮化层深度约为60~70μm。TB8钛合金采用真空渗氮,表面的吸附气体和粘附物在抽真空过程中被排出,增加了表面活性,使氮原子容易被吸附。采用间歇式抽真空/充气渗氮,破坏了滞留在试样表面气薄层,炉内渗氮气氛不断被更新和注入,活化了炉内气氛,促进了氮原子的分解与吸收。因此,对TB8钛合金进行间歇式真空渗氮可在较短时间内形成致密且有一定厚度的氮化物层和氮扩散区[13]。由于渗氮温度为820℃,高于TB8钛合金相变点(α+β/β)812℃,因此渗氮后心部组织为单一的β相。
2.2 腐蚀形貌
图3为2种试样经混酸腐蚀10 min后的表面SEM形貌。从图3可以看出,钛合金原样腐蚀后表面出现大量腐蚀坑,腐蚀坑平均宽度为3.2μm,腐蚀非常严重;而真空渗氮试样腐蚀后氮化物层基本保持完整,没有出现腐蚀坑,说明所得渗氮层具有极高的化学稳定性,明显改善了钛合金的耐腐蚀性能[14]。
2.3 腐蚀速率
表1为2种钛合金试样经混酸体系加速腐蚀10min后的失重量及腐蚀速率[14]。由表1可知,TB8钛合金真空渗氮试样及原样在混酸体系中的腐蚀速率分别为0.033μm/min和5.830μm/min,渗氮试样的腐蚀速率约为原样的1/175。TB8钛合金经间歇式真空渗氮后表面形成了致密且极为稳定的氮化物层,腐蚀速度极慢,具有很高的耐腐蚀性。
2.4 腐蚀极化曲线
图4为2种钛合金试样在混酸溶液中的塔菲尔极化曲线。由图4可知,TB8钛合金原样的极化曲线主要由活性溶解区、活化-钝化过渡区、稳定钝化区及过钝化区4个阶段组成:活性溶解阶段,电流密度随电位升高而增加,电流与电位基本符合塔菲尔关系,阳极开始活性溶解,阳极金属的活性溶解速度受活化极化控制;当电位-0.488 4 V时,随电位增加,电流密度急剧下降,该电位称为致钝电位,此时阳极金属表面溶解速度下降,表面钝化膜不断生成又不断溶解,阳极电流密度也极不稳定,金属由活化溶解开始向钝化状态过渡,为活化-钝化过渡区;电位继续增加,阳极金属电流密度变化很小,金属表面被钝化膜覆盖,处于稳定的钝化状态,进入稳定钝化区;当电位进一步增加,钛合金表面的钝化膜开始被破坏,发生新的阳极反应,阳极金属的电流密度和溶解速度将再次随电位的增加而升高,阳极金属又重新开始活性溶解,发生过钝化。而渗氮试样的极化曲线由活性溶解和钝化两个阶段组成,开始时,电流密度随电位的升高而增加,电流与电位同样符合塔菲尔关系,受活化极化控制,当电位达到致钝电位后,没有出现钛合金原样电流密度随电压增加而下降的现象,可见其具有很强的钝化能力,电流密度随电压变化较小,表面处于稳定的钝化状态,溶解速度极慢。从上述阳极电位、阳极电流密度与金属的腐蚀速度关系可知,自腐蚀电位和致钝电位越高,腐蚀电流和致钝电流越低,材料的耐腐蚀性能越好。钛合金渗氮试样在氢氟酸+硝酸体系中的自腐蚀电位Ecorr为0.107 8V,原样的为-0.651 1 V,渗氮试样的腐蚀电位与原样相比正移了0.758 9 V;渗氮试样的致钝电位为0.767 2V,原样的-0.488 4 V,致钝电位正移了1.250 6 V;渗氮试样的腐蚀电流为lg Icorr=-3.828 5 m A,钛合金原样的为0.823 9 m A,渗氮试样的腐蚀电流与钛合金原样相比降低了3个数量级;渗氮试样的致钝电流lg Ip为1.492 9 m A,小于原样的2.036 5 m A,均可判断出TB8钛合金经真空渗氮后耐腐蚀性能优于钛合金原样。这主要是因为TB8钛合金经真空脉冲渗氮后形成了致密、覆盖性较好的氮化物保护层,将腐蚀介质和金属介质隔离,成为腐蚀溶液与基体之间的阻挡层,增加了电极过程的难度,起到有效的保护作用,极大地降低了金属的腐蚀溶解速度,从而使其耐腐蚀性能明显提高。
3 结论
(1)TB8钛合金经820℃真空渗氮2 h后形成了致密的氮化层,其表面物相主要有Ti N、Ti3Al N、Al3Ti及α-Ti,氮化物层厚度约为60~70μm。