专利名称：提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法。
背景技术：
钛及钛合金质轻、比强度高，耐腐蚀性好。广泛应用于航空航天、机械仪表、生物医用材料和日用工业等领域。但由于其耐磨性较差和摩擦系数较高，使其应用受到一定限制。改进其摩擦学性能的主要途经有两点，一是表面改性，二是整体改性。因为摩擦磨损发生在材料表面，所以表面处理通常更为有效而经济，已成为常用的方法。但现有的处理方法均存在一定的问题。
如热喷涂方法，其喷涂材料为氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、碳化钛(TiC)等。由于热喷涂涂层与底材的结合是机械嵌合，因而涂层与底材界面结合强度较差，在高负荷与高速工作环境中，表层易于脱落，应用受到限制。表面渗碳方法常用的有气体渗碳法、真空渗碳法和等离子渗碳等。这些工艺均涉及氢元素，在渗碳的同时氢元素易渗入底材中而导致氢脆，使钛及钛合金的塑性、韧性及抗拉强度下降，钛表面出现裂纹、脱皮及断裂等。虽然近年采用电弧放电、加弧辉光无氢渗碳技术以降低氢脆的影响，但效果并不显著，并且工艺更为复杂。表面渗氮方法单一渗氮处理同样存在氢脆和开裂的问题。辅以辉光放电并多步阶梯式变温，有助于克服这些缺陷；但渗氮过程时间长，温度高，往往使钛底材力学性能明显下降。自蔓延高温合成硼化钛(TiB)涂层的处理方法，也可提高钛及钛合金的耐磨性，但工艺复杂、成本高。
总之，现有的提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法存在以下不足处理后的钛及钛合金耐磨性能达不到要求；处理方法使钛及钛合金底材力学性能变差；制作工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种提高钛和钛合金耐磨性的表面处理方法，该方法在不改变钛及钛合金底材力学性能的同时，提高钛及钛合金的耐磨性、降低摩擦系数，且操作简便，成本低廉。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为一种提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法，其具体做法是，将经过清洗、干燥后的钛或钛合金置于热处理炉中；或者置于管式炉中，通入氧气；或者置于石英管式炉，通入水蒸气；然后以5℃-20℃/秒的恒定升温速度升温至500～800℃温度，保温20～60分钟，随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是一、采用恒定速度加温，并在空气或氧气或水蒸水的氧化气氛中，对钛或钛合金进行氧化，使钛或钛合金的表面生成一层均匀、致密的氧化钛膜层。由于氧化膜是自动在钛表面生长，且氧含量从内到外呈逐渐增加的梯度分布；既使钛及钛合底层的结构不变，底层的力学性能保持不变，又使钛或钛合金表面致密的氧化层与钛底材结合强度高、结合紧密，使表面氧化处理后的钛和钛合金表面的摩擦系数降低，耐磨性提高；二、表面氧化层厚度可通过操作过程中的工艺参数(恒定升温的速度、保温时间等)进行调节，使加工成型后的钛或钛合金在表面氧化处理后，仍能在公差范围内保持原有尺寸，不影响已加工成型的钛或钛合金的使用；并且需要设置的工艺参数少，易于调整、控制，操作方便；三、本发明的方法所使用的设备为普通的热处理炉、普通管式炉和石英炉，这些均为现有的普通加热设备，不需复杂或大型设备，降低了处理成本；四、除氧气、水外，不需添加其他材料，成本低廉；没有废气、废液或粉尘等的排放，不会破坏环境。
上述的清洗、干燥的具体操作为超声波条件下，依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，然后室温下干燥。
对需处理的钛或钛合金进行以上步骤的操作，清除表面的油污及其它污渍，使氧化膜与底材之间能更紧密结合。
以下实验证明，用本发明方法处理后的钛或钛合金摩擦系数大大减小，耐磨性能明显提高实验一、用微动磨损试验机对氧化处理后的钛材进行无润滑状况摩擦学性能评价。条件为Si3N4球作摩擦对偶，50N负荷，60μm振幅，5Hz频率，20000转行程。在60转以下，氧化处理钛材的摩擦系数低于未氧化钛。10转以下，氧化处理钛材的摩擦系数非常稳定。与未氧化钛材相比较，氧化处理的钛材的磨损减少量接近1/3。
实验二、用微动磨损试验机氧化处理后的钛材进行润滑状况摩擦学性能评价。润滑剂是模拟人体血清的溶液，含有血清中的无机成分和小牛血清白蛋白，以确定处理后的钛材在生物医学领域中的应用。其他条件同上。在400转以下，氧化处理钛材的摩擦系数低于未氧化钛。70转以下摩擦系数非常稳定，几乎保持在0.10～0.13。与未氧化钛材相比较，氧化处理的钛材的磨损量减少约1/3。
实验三、用小振幅往复式磨损试验机对氧化处理后的钛材进行摩擦学性能测试。摩擦对偶为轴承钢球，点接触，无润滑，20N负荷，1.5mm振幅，10Hz频率。以摩擦系数突然迅速上升，即表面氧化膜被磨穿为磨损试验终点。氧化处理后钛合金磨损寿命均大于未处理的钛合金。水蒸气氧化钛合金寿命最长，约为未处理的3.2倍；氧气中氧化钛合金约为未处理的2.5倍；空气中氧化钛合金约为未处理的2.1倍。氧化处理钛材的摩擦系数均低于未处理钛材。氧化处理后钛合金磨损寿命均大于未处理的钛合金。水蒸气氧化钛合金寿命最长。
实验四、用加大振幅的往复式磨损试验机对氧化处理后的钛材进行润滑状况下摩擦学性能测试。摩擦对偶为不锈钢销，面接触，润滑剂是模拟人体血清的溶液，含有血清中的无机成分和小牛血清白蛋白。500N负荷，2.8cm振幅，800次/分。以摩擦系数突然剧烈上升，即表面氧化膜被磨穿为磨损试验终点。氧化处理后钛合金磨损寿命均大于未处理的钛合金。水蒸气氧化钛合金寿命最长，约为未处理的2.3倍；氧气中氧化钛合金约为未处理的1.7倍；空气中氧化钛合金约为未处理的1.3倍。氧化处理钛材的摩擦系数均低于未处理钛材。
实验五、用销-盘式磨损试验机对氧化处理后的钛片进行摩擦学性能测试。摩擦对偶为不锈钢销。在50克负荷，无润滑条件下，水蒸气氧化钛片在100转时达到稳定的摩擦系数，为0.18～0.20；氧气中氧化的钛片在400转时达到稳定的摩擦系数，为0.38～0.42；空气中氧化钛片在500转时达到稳定的摩擦系数，为0.48～0.52；未氧化的钛片在1500转时达到稳定的摩擦系数，为1.13～1.15。在50克负荷，3000转时，未氧化钛片已严重磨损。氧化处理的钛片几乎没有磨损现象。
下面结合具体实施方式
对本发明作进一步的描述。
具体实施例方式
实施例一本发明的一种具体实施方式
为取市售钛材(纯钛或钛合金)在超声波条件下依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，室温干燥后，置于热处理炉中，以5℃/秒的恒定升温速度升温至500温度，保温20分钟，然后随炉冷却至室温。显然，本实施例的热处理炉与空气相通，钛材是在空气气氛中进行表面氧化的。
实施例二本实施例与实施例一基本相同，不同的是以10℃/秒的恒定升温速度升温至600温度，保温30分钟。
实施例三本实施例与实施例一基本相同，不同的是以20℃/秒的恒定升温速度升温至800温度，保温60分钟。
实施例四本实施例与实施例一基本相同，不同的是将钛材置于管式炉中，通入氧气，以20℃/秒的恒定升温速度升温至500温度，保温20分钟，然后随炉冷却至室温。
实施例五本实施例与实施例四基本相同，不同的是以10℃/秒的恒定升温速度升温至600温度，保温60分钟。
实施例六本实施例与实施例四基本相同，不同的是以5℃/秒的恒定升温速度升温至800温度，保温60分钟。
实施例七本实施例与实施例一基本相同，不同的是将钛材置于石英管式炉中，通入氧气，以20℃/秒的恒定升温速度升温至500温度，保温60分钟，然后随炉冷却至室温。
实施例八本实施例与实施例七基本相同，不同的是以5℃/秒的恒定升温速度升温至600温度，保温20分钟。
实施例九本实施例与实施例七基本相同，不同的是以20℃/秒的恒定升温速度升温至800温度，保温60分钟。
加工成型后的钛及钛合金材料，经过本发明方法处理后，耐磨性能得到提高，更适合于用于航空航天、机械仪表、生物医用材料和日用工业等领域。
权利要求
1.一种提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法，其具体做法是，将经过清洗、干燥后的钛或钛合金置于热处理炉中；或者置于管式炉中，通入氧气；或者置于石英管式炉，通入水蒸气；然后以5℃-20℃/秒的恒定升温速度升温至500～800℃温度，保温20～60分钟，随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法，其特征在于所述的清洗、干燥的具体操作为超声波条件下，依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，然后室温下干燥。
全文摘要
一种提高钛及钛合金耐磨性的表面处理方法，其具体做法是，将经过清洗、干燥后的钛或钛合金置于热处理炉中；或者置于管式炉中，通入氧气；或者置于石英管式炉，通入水蒸气；然后以5℃－20℃/秒的恒定升温速度升温至500～800℃温度，保温20～60分钟，随炉冷却至室温。该方法在不改变钛及钛合金底材力学性能的同时，提高钛及钛合金的耐磨性、降低摩擦系数，且操作简便，成本低廉。
文档编号C23G1/00GK1804102SQ20061002018
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月20日 优先权日2006年1月20日
发明者冯波, 周仲荣, 屈树新, 朱旻昊, 翁杰 申请人:西南交通大学