一种纯钛或钛合金及其表面硬化方法与流程

本发明涉及一种纯钛或钛合金及其表面硬化方法。

背景技术：

现有的纯钛与钛合金多用于制造高级的手表部件、首饰、眼镜框以及其他装饰性产品。为了使纯钛或钛合金的表面有更高的硬度和光泽度，多在纯钛或钛合金表面作硬化处理。现有的纯钛或钛合金表面硬化方法有以下几种：1、大气热氧化处理：直接将纯钛或钛合金部件于大气中加热至750℃至1000℃，使纯钛或钛合金表面形成一层金红石结晶型二氧化钛(rutile)，表面硬度可达Hv1100，但这种方法制成的氧化层颜色呈现灰色，无金属光泽，且表面粗糙，应用于一般商业产品时，通常需再做后处理；2、大气热氧化+真空扩散处理：经过大气热氧化处理后之纯钛或钛合金部件进一步于真空热处理炉中，于750℃至850℃之间持温一段时间，令表面二氧化钛结晶分解，产生氧气以扩散方式进入纯钛或钛合金之结晶结构中，使产生金属基地之固溶硬化效应，含氧量越高的部分，硬度越高，但这种方法会造成结晶粒粗大化，导致表面光洁度明显降低，且不易抛光；3、真空热氧化氮化扩散处理：于真空炉中通入氮气以及一定比例之氧气或水蒸气，并固定之真空压力下于700℃～800℃下持温一段时间，令氮气与氧气扩散进入纯钛或钛合金的结晶结构中，使纯钛或钛合金部件表面产生某厚度氮氧固溶体之硬化层，此方法明显改善方法2中晶粒粗大化表面粗糙现象，但在制程中氮气与氧气或水蒸气的比例以及热处理温度必须小心控制，否则会出现纯钛或钛合金表面变色与粗糙的现象；4、离子渗氮法：将纯钛或钛合金部件置于真空炉中，施加高电压，并通入氮气，以产生氮离子，氮离子被纯钛或钛合金构成之电极吸引，以高速撞击电极表面，使产生高温促使氮原子渗入钛金属基材中，并于表面产生化合反应，于钛金属表面形成含氮之扩散层与氮化钛化合物层，这种方法中除了氮原子渗入纯钛或钛合金中，表面亦生成氮化钛结晶层，因此可获得远高于氧化法之硬度，但会导致纯钛或钛合金表面粗糙度大幅增加；5、真空物理蒸镀法：运用真空物理蒸镀方式，于纯钛或钛合金表面直接镀上一层硬质薄膜，这种方法虽无损纯钛或钛合金之表面粗糙度，但由于涂层厚度有限，对于纯钛或钛合金这种软质基材而言并无法提供有效的硬化性能。

技术实现要素：

本发明提供一种纯钛或钛合金及其表面硬化方法，用以解决现有技术中纯钛或钛合金表面硬化层粗糙、硬化层结构难以控制的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种纯钛或钛合金，包括由纯钛或钛合金制作而成的基材，其特征在于：所述基材的表面设有三层氧化硬化层，所述三层的氧化硬化层由外至内分别为表面透明氧化层、外扩散层和内扩散层。

上述所述三层的氧化硬化层中，所述表面透明氧化层的厚度最薄，所述外扩散层中氧浓度最高，所述内扩散层中氧浓度由外至内逐渐降低。

上述所述三层的氧化硬化层的总厚度为10～40μm。上述所述三层的氧化硬化层的硬度值为Hv350～Hv750

另一方面，本发明提供了一种纯钛或钛合金表面硬化方法，其特征在于，包括：

抽真空：将清洁后的基材放入炉中，对炉内抽真空,所述的基材由纯

钛或钛合金制作而成；

加热：在真空状态下对所述基材加温至预设温度，并在加温的过程中向炉内通入氩气；

硬化：当加温到预设温度后，持温一定时间，同时向炉内通入氩气、氢气、氧气的混合气体；

除氢：关闭混合气体供应并持温一定时间，同时向炉内通入氩气，以去除渗入所述基材内部的氢气；

降温：当炉内温度低于300℃后，对炉内通入氮气至室温。

上述所述抽真空：将清洁后的基材放入炉中，对炉内抽真空的步骤，具体为：先用粗抽泵将炉内真空度抽至5×10⁰Pa以下，再用高真空泵抽至真空度5×10^-4Pa以下。

上述所述加热：在真空状态下对所述基材加温至预设温度，并在加温的过程中向炉内通入氩气的步骤，具体为：在真空状态下加热至650℃～710℃，加热过程中通入1～5×10^-1Pa氩气。

上述所述硬化：当加温到预设温度后，持温一定时间，同时向炉内通入氩气、氢气、氧气的混合气体的步骤，具体为：当加温到预设温度后持温时间大于1小时，通入混合气体时气体总压为9×10^-4Pa～5×10^-1Pa，所述混合气体中氧气的含量占总压力之1000ppm～15000ppm，氢气的含量占总压力之1000ppm～50000ppm。

上述所述除氢：关闭混合气体供应并持温一定时间，同时向炉内通入氩气，以去除渗入所述基材内部的氢气的步骤，具体为：关闭混合气体供应并持温0.5小时以上，同时向炉内通入氩气，通入氩气时真空度维持于1～5×10^-1Pa之间。

上述所述降温：当炉内温度低于300℃后，对炉内通入氮气至室温的步骤，具体为：停止加热，向炉内持续通入氩气并使真空度继续保持于1～5×10^-1Pa之间，当炉内温度降低至300℃后，关闭抽气阀门并停止通入氩气，通入氮气对炉内强制冷却直到室温。

与现有技术相比，本发明所述的纯钛或钛合金及其表面硬化方法，有以下优点：

1、所述基材表面的三层氧化硬化层，能很好地保护所述基材，使其表面硬度高、光泽度高；

2、纯钛或钛合金表面色泽均匀白亮，无变色情形，表面以CIE1976(L*a*b*)之E*ab值来管理，E*ab≦1.0。

3、纯钛或钛合金表面硬化方法，使用真空加热、渗氧硬化、在渗氧硬化过程中通入氢气以提高硬化效果，使所述硬化方法易于控制，能获得良好的外观。

4、加热过程中通入氩气，以防止基材表面在升温过程中产生明显的氧化变色。此温度区段也是纯钛或钛合金的再结晶温度，有助于消除基材经过锻造、切削、研磨、抛光等加工程序所产生的内应力以及晶粒破坏；

5、硬化过程中通入氢气可以防止基材表面产生剧烈的氧化作用,并且加速氧气在钛合金基材中的扩散速率；

6、降温过程中通入氩气可防止降温过程中基材表面氧化变色。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的纯钛或钛合金的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的纯钛或钛合金表面的三层氧化硬化层总厚度和硬度之间的关系图；

图3为本发明实施例二提供的纯钛或钛合金表面硬化方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的一种纯钛或钛合金，包括由纯钛或钛合金制作而成的基材1，其特征在于：所述金基材1的表面设有三层氧化硬化层，所述三层的氧化硬化层由外至内分别为表面透明氧化层2、外扩散层3和内扩散层4。

纯钛或钛合金表面的三层的氧化硬化层能很好地保护基材1，使其硬度高、光泽度高。

上述所述三层的氧化硬化层中，所述表面透明氧化层2的厚度最薄，以至于不会因光干涉作用产生变色情形；外扩散层3中氧浓度最高，外扩散层3的厚度影响了最终的硬化结果；内扩散层4中氧浓度由外至内逐渐降低，最终与基材1相同。

上述所述三层的氧化硬化层的总厚度为10～40μm，硬度值为Hv350～Hv750。

所述三层氧化硬化层总厚度和硬度之间的关系如图2所示。

上述所述纯钛或钛合金表面色泽均匀白亮，无变色情形，表面以CIE1976(L*a*b*)之E*ab值来管理，E*ab≦1.0。

实施例二：

如图3所示，本实施例提供的一种纯钛或钛合金表面硬化方法，其特征在于，包括：

步骤1、抽真空：将清洁后的基材放入炉中，对炉内抽真空,所述的基材由纯钛或钛合金制作而成；

步骤2、加热：在真空状态下对所述基材加温至预设温度，并在加温的过程中向炉内通入氩气；

步骤3、硬化：当加温到预设温度后，持温一定时间，同时向炉内通入氩气、氢气、氧气的混合气体；

步骤4、除氢：关闭混合气体供应并持温一定时间，同时向炉内通入氩气，以去除渗入所述基材内部的氢气；

步骤5、降温：当炉内温度低于300℃后，对炉内通入氮气至室温。

上述所述步骤1、抽真空：将清洁后的基材放入炉中，对炉内抽真空的步骤，具体为：

先用粗抽泵将炉内真空度抽至5×10⁰Pa以下，再用高真空泵抽至真空度5×10^-4Pa以下。

上述所述步骤2、加热：在真空状态下对所述基材加温至预设温度，并在加温的过程中向炉内通入氩气的步骤，具体为：

在真空状态下对所述基材加热至650℃～710℃，并在加温的过程中通入1～5×10^-1Pa氩气。

温度高于710℃时纯钛与钛合金表面会产生明显的晶粒成长，使得基材表面粗糙度增加，导致光洁度下降﹔而温度低于650℃时气体在基材中的扩散速率太低，硬化处理时间过长。因此，650℃～710℃的温度区段也是纯钛与钛合金的再结晶温度，有助于消除基材经过锻造、切削、研磨、抛光等加工程序所产生的内应力以及晶粒破坏。

在加热过程中通入氩气，以防止所述基材表面在升温过程中产生明显的氧化变色。

上述所述步骤3、硬化：当加温到预设温度后，持温一定时间，同时向炉内通入氩气、氢气、氧气的混合气体的步骤，具体为：

当加温到650℃～710℃后持温至少1小时，同时向炉内通入氩气、氢气、氧气的混合气体，通入混合气体时气体总压为9×10^-4Pa～5×10^-1Pa，所述混合气体中氧气的含量占总压力之1000ppm～15000ppm，氢气的含量占总压力之1000ppm～50000ppm。

使用氩气、氢气、氧气的混合气体，其中的氢气可以防止所述基材表面产生剧烈的氧化作用,并且加速氧气在所述基材中的扩散速率。

上述所述步骤4、除氢：关闭混合气体供应并持温一定时间，同时向炉内通入氩气，以去除渗入所述基材内部的氢气的步骤，具体为：

关闭混合气体供应并持温至少0.5小时，同时向炉内通入氩气，通入氩气时真空度维持于1～5×10^-1Pa之间。

此步骤可彻底去除渗入所述基材内部的氢气，防止基材产生脆化的现象。

上述所述步骤5、降温：当炉内温度低于300℃后，对炉内通入氮气至室温的步骤，具体为：

停止加热，向炉内持续通入氩气并使真空度继续保持于1～5×10^-1Pa之间，当炉内温度降低至纯钛与钛合金不氧化温度的300℃后，关闭抽气阀门并停止通入氩气，通入氮气对炉内强制冷却直到室温。

通入氩气可防止降温过程中所述基材表面氧化变色。

上述所述基材为以纯钛或钛合金为基底的手表零部件或其他装饰性部品，例如表壳、表带、扣件以及眼镜架、戒指、手链等，其表面已经经过抛光处理、发丝纹处理、喷砂处理等工序。

上述所述清洁后的基材是指基材在加工后经过了超声波清洗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。