本发明涉及的是一种钛合金表面处理及热处理方法，具体地说是一种对具有时效强化效应的钛合金低温碳氮共渗同时时效的工艺。
背景技术：
作为地壳资源中储量最为丰富的金属之一，钛金属历经了二百余年的发展历史，到今天已在航空、航天、化工、能源等领域得到广泛应用。目前，已研制出的组织成分不同、性能各异的钛合金就多达百种。
其中有一类钛合金具有时效强化效应，如tc4、tc21等。以tc4合金为例，经过固溶处理后，在450℃---650℃区间内进行加热保温，会从过饱和固溶体中析出大量的沉淀物颗粒，导致强度、硬度及部分物理化学性能变化，这一过程被称为时效强化。
这一类钛合金在各领域应用上限制性因素是硬度低、耐磨性差，而目前研究的改性手段大多都采用表面处理技术来提高其硬度和耐磨性，其中碳氮共渗工艺凭借其工艺简单、渗层与基体结合牢固、生成钛的碳化物及氮化物等高硬相对硬度提升显著等优点得以广泛应用。
而目前对这一类钛合金碳氮共渗处理的温度集中在900℃左右，在这种高温条件下的碳氮共渗处理会导致钛合金基体内晶粒尺寸增大，基体韧性降低。同时单纯的高温碳氮共渗处理只能改善钛合金表面硬度，对基体内部硬度提高无明显效果。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够实现钛合金的低温碳氮共渗，降低成本，同时提高钛合金基体与表面硬度，改善其摩擦磨损性能的对有时效强化效应的钛合金低温碳氮共渗同时时效的工艺。
本发明的目的是这样实现的：
(1)固溶处理：840℃下加热，保温30-60分钟，水淬后去掉表面氧化层；
(2)冷变形处理：在室温下进行多道次轧制直至达到50％变形率，切削加工得到规定尺寸的工件；
(3)碳氮共渗同时时效处理：反应装置为脉冲等离子体炉，碳氮共渗过程中选用的气氛为n2、h2和乙醇蒸汽三种气体渗剂，温度为500℃，电压为650v，压升率为0.13p/min，占空比为15～75％，保温时间为2h～22h。
本发明还可以包括：
1、n2、h2和乙醇蒸汽三种气体的流量比例为0.2:0.2:0.1。
2、碳氮共渗同时时效处理之前对工件进行清洗，所述清洗为：别用240、600、800目砂纸对工件表面进行打磨，并在丙酮溶液中进行超声波清洗。
本发明提供了一种对具有时效强化效应的钛合金，如tc4、tc21等，低温碳氮共渗同时时效的工艺，具体来说主要经过固溶—冷轧变形—低温碳氮共渗同时时效等过程。
本发明的方法得到的渗层以tin、ti2n、tic等钛的氮化物和碳化物为主，这些高硬相能极大程度的提高钛合金表面硬度和耐磨性，且与基体结合力强。而500℃保温过程中的时效过程，可以在一定程度上提高钛合金基体内部的硬度，提升工业应用价值。
经测定，采用本发明工艺处理的tc4钛合金，在500℃下保温22h后，摩擦系数为0.22，体积磨损率为0.73x10-4mm3/nm，表面硬度达到628hv，时效强化后基体硬度呈阶梯变化且均高于来料态tc4钛合金。来料态tc4钛合金硬度为310hv，摩擦系数为0.7，可见经过500℃碳氮共渗同时时效处理后钛合金硬度及耐磨性均有较大提升。
本发明热处理温度选择为500℃，既可以避免对钛合金韧性带来影响，又可以在碳氮共渗过程中伴随时效，对钛合金基体内部进行强化，提高整体硬度。此外，由于热处理温度的降低，碳氮共渗处理工艺的成本也可显著降低，提高了该项技术的在工业生产中的实际应用价值。而冷轧变形过程选择变形率50％，该过程形成位错等缺陷为c与n原子提供扩散通道，为500℃下低温碳氮共渗处理提供便捷条件。该方法有望实现钛合金的低温碳氮共渗，降低成本，同时提高钛合金基体与表面硬度，改善其摩擦磨损性能。
附图说明
图1为保温22h碳氮共渗tc4合金表面xrd分析图谱。
图2a为保温22h碳氮共渗tc4合金截面eds分析图谱，图2b为图2a中个点的元素含量表。
图3为保温22h碳氮共渗tc4合金基体金相。
图4为保温22h碳氮共渗tc4合金基体硬度。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
本实例的具体制备过程是：
1)固溶处理：840℃下加热，保温30-60分钟，水淬后去掉表面氧化层；
2)冷变形处理：室温下进行轧制，固定单道次轧制量，并进行多道次轧制直至达到50％变形率，切削加工得到合适尺寸的工件；
3)碳氮共渗同时时效处理工艺：
a)工件清洗：
在试样进行碳氮共渗之前，应分别用240、600、800目砂纸对工件表面进行打磨，并在丙酮溶液中进行超声波清洗。
b)碳氮共渗工艺参数：
反应装置为脉冲等离子体炉，碳氮共渗过程中选用的气氛为n2、h2和乙醇蒸汽三种气体渗剂，流量比例为0.2:0.2:0.1，温度为500℃，电压为650v，压升率为0.13p/min，占空比为15～75％，保温时间为2h至22h。
渗层以tin、ti2n、tic等钛的氮化物和碳化物为主，这些高硬相能极大程度的提高钛合金表面硬度和耐磨性，且与基体结合力强。而500℃保温过程中的时效过程，可以提高在一定程度上提高钛合金基体内部的硬度，提升工业应用价值。
经测定，采用本发明工艺处理的tc4钛合金，在500℃下保温22h后，摩擦系数为0.22，体积磨损率为0.73x10-4mm3/nm，表面硬度达到628hv，时效强化后基体硬度呈阶梯变化且均高于来料态tc4钛合金。来料态tc4钛合金硬度为310hv，摩擦系数为0.7，可见经500℃碳氮共渗同时时效处理后钛合金硬度及耐磨性均有较大提升。