基于原位生长的钛螺栓表面陶瓷化的方法与流程

文档序号：16746852发布日期：2019-01-28 13:43阅读：196来源：国知局

本发明属于钛合金表面处理技术领域，涉及一种基于原位生长的钛螺栓表面陶瓷化的方法。

背景技术：

螺栓是常见的紧固件之一，为保证螺栓连接的可靠性，需要给螺栓施加一定扭矩的预紧力，但轴向拉紧力大小和螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母和连接件之间的摩擦力大小有关，所以为了更好的可靠性，需要减少它们之间的摩擦力。螺栓失效的主要方式是：“咬死”、“松动”和“断裂”。钛螺栓由于材料本身硬度较小，连接件黏着严重，受力时更易引发咬死，而且抗微动磨损性能差，螺栓尺寸更易变化、松动。其次，由于钛的电位较正，其本身的耐蚀性能好，但与异质金属连接时，钛螺栓一般为阴极，自身不会腐蚀，由于电偶腐蚀的作用，加速与它连接零件的腐蚀失效。钛螺栓的这些特点，限制了钛螺栓的使用场合。

针对钛螺栓现存的问题，目前的改善方法包括：涂敷技术、化学转化膜、电镀和阳极氧化等方法。涂敷技术是针对钛螺栓的断裂腐蚀，在其表面涂敷有机涂层，从而改善钛螺栓与异质金属连接时的电偶腐蚀现象，但有机涂层比较软，与钛基体结合差，当钛螺栓承受载荷时，容易发生粘着磨损且容易出现脱落；电镀和化学转化膜处理后的钛螺栓的抗腐蚀性能并不是很理想，且在电镀工艺过程中，可能会出现镀层不均匀的现象；阳极氧化是一种在金属基体上原位生长氧化膜的方法，其膜基结合性好且由于本身为陶瓷层，因此耐蚀及耐磨损性能较好。但阳极氧化在制备过程中存在对钛基体力学性能损伤的问题，因此，往往用于表面着色处理。

微弧氧化技术是在阳极氧化的技术上发展起来的一种原位生长陶瓷层的方法，陶瓷层氧化生长过程的同时存在烧结，因此，陶瓷层几乎没有通孔、致密性更好，并且，氧化钛陶瓷层具有良好的减摩耐磨性能，可提高钛螺栓的粘附及磨损性能；其次，致密的氧化钛陶瓷层可以有效提高钛螺栓连接件的接触电阻，提高连接件的异质金属电偶腐蚀倾向。基于此，微弧氧化表面处理钛螺栓具有良好的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于原位生长的钛螺栓表面陶瓷化的方法，解决了钛螺栓容易出现失效以及与其他零件接触使用时容易加速其他零件的腐蚀失效的问题。本发明的方法同时提高钛螺栓表面的阻抗和耐磨损性能，提高钛螺栓的使用寿命和可靠性。

本发明所采用的技术方案是，基于原位生长的钛螺栓表面陶瓷化的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤1.钛螺栓表面预处理：

首先将试样钛螺栓表面进行去脂、除油处理，再用去离子水冲洗干净；然后，将试样螺栓在室温下置于高氯酸和冰醋酸的混合电解液中进行电解抛光，然后使用去离子水冲洗，并使用吹风机烘干保存，得到预处理后的钛螺栓；

步骤2.将预处理后的钛螺栓在混合酸体系的电解液中进行微弧氧化处理，具体过程如下：

步骤2.1配置混合酸体系的电解液，将步骤1处理后的钛螺栓置于混合酸体系的电解液中，以不锈钢片作为阴极，钛螺栓作为阳极，在双极性脉冲电源模式下，利用恒流模式对钛螺栓进行微弧氧化处理；

步骤2.2将步骤2.1处理的钛螺栓在去离子水中清洗，烘干后冷却；

步骤3.将步骤2得到的钛螺栓在氢化炉中进行去氢退火一段时间后，随炉冷却，得到钛螺栓的表面陶瓷层。

本发明的其他特点还在于，

步骤1中电解液中高氯酸和冰醋酸的体积比为1:19；电解液的ph＝7.0～9.0；电解抛光条件是：直流电压为55v～60v，电解时间20s～40s。

步骤2.1中混合酸体系电解液按照质量体积百分数包括以下组分：硅酸钠15％～20％、铝酸钠10％～15％、六偏磷酸钠5％～8％、柠檬酸铁3％～6％、钒酸盐0～15％、钨酸盐0～3％，其余为溶剂去离子水。

步骤2.1中微弧氧化的条件是：正向电流密度为1.3a/dm²～2.8a/dm²、负向电流密度为0.2a/dm²～0.8a/dm²、正向占空比为10％～20％、负向占空比为5％～10％、正向频率为1500hz～2500hz、负向频率为500hz～1500hz、级数比为1:1、氧化时间为10min～15min。

步骤2.1中微弧氧化过程中为降低电解液的浓差极化及温度的不均匀性，微弧氧化过程需要采用冰水机对电解液进行冷却或者采用水冷槽，同时持续对电解液通入压缩空气搅拌，保持电解液温度均匀且不高于30℃。

步骤3中去氢退火条件是：温度580℃～620℃，时间根据钛螺栓的材质和尺寸大小来确定。

本发明的有益效果是，基于原位生长的钛螺栓表面陶瓷化的方法，解决了钛螺栓容易出现失效以及与其他零件接触使用时容易加速其他零件的腐蚀失效的问题。本发明的方法同时提高钛螺栓表面的阻抗和耐磨损性能，提高钛螺栓的使用寿命和可靠性。相比于现有技术具有以下优势：

(1)钛螺栓表面处理后得到氧化钛基陶瓷层，厚度为8～15μm，硬度可达到700hv，粗糙度为0.50μm，陶瓷层是原位生长，膜层结合好，承载力强，不易脱落；能够提高螺栓的承载能力与抗粘着磨损和微动磨损的性能；

(2)氧化钛基陶瓷层厚度在8～15μm范围内时，阻抗最高可达到2.065×10⁷ω，高接触电阻可有效降低钛螺栓与异质金属连接偶件的电偶腐蚀失效；

(3)高阻抗陶瓷层对钛螺栓外形尺寸的改变较小，控制在陶瓷层总厚度的50％之内，小于8μm；

(4)电解液中添加不同浓度的钒酸盐及钨酸盐，可制备出白色、砖青色、黄色、棕色、黑色等不同颜色的高阻抗陶瓷层。能够实现根据使用环境选择钛螺栓陶瓷层表面色泽的方法。

附图说明

图1是本发明的实施例1制备的钛螺栓微弧氧化陶瓷层表面形貌；

图2是本发明的实施例1制备的钛螺栓微弧氧化陶瓷层截面形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的基于原位生长的钛螺栓表面陶瓷化的方法，具体操作步骤如下：

步骤1.钛螺栓表面预处理：

步骤1中电解液中高氯酸和冰醋酸的体积比为1:19；电解液的ph＝7.0～9.0；电解抛光条件是：直流电压为55v～60v，电解时间20s～40s，具体的电解条件参数按照试样的大小和表面状态确定。

步骤2.将预处理后的钛螺栓在混合酸体系的电解液中进行微弧氧化处理，具体过程如下：

步骤2.1中混合酸体系电解液按照质量体积百分数包括以下组分：硅酸钠15％～20％、铝酸钠10％～15％、六偏磷酸钠5％～8％、柠檬酸铁3％～6％、钒酸盐0～15％、钨酸盐0～3％，其余为溶剂去离子水；其中，选取不同质量体积浓度的钒酸盐及钨酸盐可以制备出不同颜色的钛螺栓陶瓷层。当钒酸盐的质量体积分数从0到15％，钨酸盐的质量体积分数从0～3％变化时，陶瓷层的颜色从白色到黄色、砖青色、棕色、黑色之间变化。

步骤2.1中微弧氧化过程中为降低电解液的浓差极化及温度的不均匀性，需要在水冷槽中进行，且持续在电解液中通入压缩空气搅拌，保持电解液温度不高于30℃。

步骤2.2将步骤2.1处理的钛螺栓在去离子水中清洗，烘干后冷却；

步骤3.将步骤2得到的钛螺栓在氢化炉中进行去氢退火一段时间后，随炉冷却，得到钛螺栓的表面陶瓷层；

步骤3中去氢退火条件是：温度580℃～620℃，时间根据钛螺栓的材质和尺寸大小来确定。

本发明的微弧氧化过程与阳极氧化不同的是，微弧氧化等离子体放电的过程中，对陶瓷层和金属基体增加了重熔和冷淬的过程，陶瓷层的生长既向内也向外，这样，陶瓷层与金属基体为冶金结合，结合力好，不易脱落。但是，陶瓷层的快速冷淬又使得其热裂纹及表面孔隙不可避免，由于陶瓷层生长过程是基于陶瓷层绝缘的前提，陶瓷层厚度越大，作用在试样上的击穿电压越大，聚集在试样表面的带电离子越多，陶瓷层表面的击穿强度越大，则会使得陶瓷层放电孔增大、致密性下降。同时，作用在膜基界面上的强击穿，对金属基体的热损伤也加剧。陶瓷层生长在强化基体表面的同时，势必降低金属基体的力学性能。这些都会限制微弧氧化对钛螺栓的表面处理。

采用双极性脉冲电源模式，在负脉冲作用过程中，试样作为负极，电解液中电场方向改变，可分散聚集在陶瓷层表面的电解质离子，有效降低电击穿的强度，降低对陶瓷层及基体的损伤，改善钛合金上陶瓷层的表面形貌及致密性，同时降低对基体的热损伤。但是，钛合金对于氢离子的影响比较敏感，试样在增加了电化学阴极的阶段，势必又增加了h⁺对基体氢脆的影响。去氢退火后处理是常见的去除氢脆影响的工艺，采用双极性脉冲电源模式提高钛螺栓表面陶瓷层及钛基体的性能，采用去氢退火改善双极性电源模式对钛螺栓氢脆的影响，是一种可行的钛螺栓表面陶瓷化的制备技术。

实施例1

步骤1.tc4的m8(螺纹长180mm)的钛螺栓表面预处理：

首先将tc4的m8的钛螺栓表面进行去脂、除油处理，再用去离子水冲洗干净；然后，将tc4的m8的钛螺栓在室温下置于装有高氯酸和冰醋酸的混合电解液的sorensen型电解抛光仪中进行电解抛光，电解液为50ml高氯酸和950ml冰醋酸的混合溶液，在直流电压55v下抛光30s，然后使用去离子水冲洗，并使用吹风机烘干保存，得到预处理后的钛螺栓；

步骤2.配置ph为7的混合酸体系的电解液，其中电解液中包括质量体积份数15％的硅酸钠、10％的铝酸钠、7％的六偏磷酸钠、5％的柠檬酸铁，将步骤1处理后的钛螺栓置于混合酸体系的电解液中，以不锈钢片作为阴极，钛螺栓作为阳极，在双极性脉冲电源模式下，设置正向电流密度为2.8a/dm²、负向电流密度为0.8a/dm²、正向占空比15％、负向占空比10％、正向频率为2000hz、负向频率为500hz、级数比1:1，微弧氧化处理10min，为降低电解液的浓差极化及温度的不均匀性，微弧氧化过程中采用冰水机对电解液进行冷却、并持续对电解液中通入压缩空气搅拌，保持电解液温度均匀且不高于30℃；微弧氧化结束后，将钛螺栓在去离子水中清洗，烘干后冷却；