金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌方法与流程

本发明涉及化学热处理领域，尤其是一种渗铌剂及其渗铌工艺，具体是一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌工艺。

背景技术：

钛以及钛合金作为生物医用材料，以其较低的弹性模量、良好的生物相容性、抗腐蚀性和工艺性等优点而被广泛的应用于硬组织替换、心脏瓣膜、血管支架、齿根以及各种矫形器械等。但虽然其弹性模量相对于其他生物医用材料较低，却仍然远高于人骨的弹性模量，但其硬度低、摩擦系数大、表面抗磨损能力较差，抗腐蚀性能也需进一步提高。由于Ti-Nb合金具有超低弹性模量、耐腐蚀和生物相容性好等优点，且铌的渗入已被证实可增强纯钛及钛合金的硬度和耐磨性能，因此渗铌处理是提高金属钛表面耐磨性能、抗腐蚀性能，降低其弹性模量的有效手段之一。

目前广泛应用于制备渗铌层的三种表面技术分别是：离子注入技术、磁控溅射镀膜技术、双层辉光等离子渗金属技术。这些技术虽然在设备工艺、涂层结合性能等方面有着很大的优势，但普遍存在成本高、灵活性差等局限性，很大程度上限制了其向工程实践转化。而且，离子注入技术形成的改性层过薄，磁控溅射镀膜技术、双层辉光等离子渗金属技术需要在真空保护条件下完成，这样设备复杂，给操作带来不便。

盐浴渗铌技术具有渗层质量高、性能好，设备简单，操作方便，成本低廉等特点，是一种极具发展前途的表面强化技术。大量研究表明Fe粉不仅是一种很好的还原剂,而且还是一种很好的催渗剂，使渗速加快,从而增加渗层厚度，改善渗层质量。据申请人所知，尚未有人采用Fe粉催渗的盐浴渗铌技术在金属钛表面获得渗铌层。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的钛合金表面渗铌技术存在的成本高、灵活性差、设备、环境要求高等问题，发明了一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌方法，它不仅能够在提高渗速的同时获得表面质量优异的渗铌层，而且具有较好的可操作性和优良的经济性。

本发明的技术方案之一是：

一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂，其特征在于它由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化铌（Nb₂O₅）、碳化硅（SiC）和Fe粉组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为78%～88%；Nb₂O₅的质量百分比为8%～12%；SiC的质量百分比为2%～6%；Fe粉的质量百分比为2%～4%，各组份的质量百分比为100%，碳化硅为绿色纯洁的、粒度为150～200目，氧化铌的纯度为99.5%；将所述质量百分比的各组分，混合均匀后置于100℃～120℃烘箱中，经40min～60min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。

本发明的技术方案之二是：

一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂的渗铌方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）金属钛表面预处理：将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨和机械抛光，将表面抛至粗糙度为不超过Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗至少20min；

（2）渗铌处理：将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至900～1050℃，保温1～2h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（3）将工件放入配备好的渗铌盐浴内，并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温4～10h取出空冷，即在金属钛表面制得渗铌层。

（4）清洗工件：将工件放人沸水中煮泡，直至清除粘结的硼砂。

所述的砂纸打磨是指分别用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#依次打磨。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种操作简单、成本低廉、工艺性能优良的金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌工艺。

（2）本发明不需真空保护，在空气条件下就可对金属钛进行渗铌处理。

（3）本发明提高了渗铌的速率，增加了渗层的厚度，制得高硬度、高韧性的渗铌层，与基体间有明显且呈梯度的元素扩散，其界面结合好。

（4）在相同的渗铌工艺参数下，与未添加Fe粉的渗铌层相比，添加Fe粉的渗铌层厚度大幅增加，增幅为837%；外表层硬度稍有提高，增幅为8.3%。

（5）本发明不仅适用于各种型号钛合金，还适用于纯钛材的表面处理。

本发明的渗铌剂加入了2%～4% Fe粉作为催渗剂，同时确定了渗铌剂的制备方法和渗铌工艺，渗铌的关键工艺参数为渗铌温度900℃～1050℃、渗铌保温时间4h～10h。通过以上渗铌剂及渗铌工艺，在钛金属表面成功制备的渗铌层渗层厚度为15μm，与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了837%；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达33%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散，其界面结合好；渗铌层外表层显微硬度为1021.8HV，较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高，约为8.3%。

本发明渗速快、渗层厚、工件表面质量好、操作工艺简单、经济性能优良，可用于工业生产，在生物医用等领域具有很广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例1 钛合金在950℃保温4h后渗铌层扫描电子显微镜图。

图2是实施例2 钛合金在950℃保温4h后渗铌层扫描电子显微镜图。

图3是实施例1 钛合金在950℃保温4h后渗铌层的元素扩散图。

图4是实施例1、实施例2 钛合金表面渗铌层的硬度分布对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1。

一种金属钛表面渗铌方法，它包括盐浴渗铌剂制备-金属钛表面预处理－渗铌处理－清洗工件。

（1）盐浴渗铌剂制备，取无水硼砂（Na₂B₄O₇）840克、氧化铌（Nb₂O₅）100克（纯度为99.5%）、绿色纯洁的、粒度为150～200目的碳化硅（SiC）40克和Fe粉20克（纯度为99.99%），混合均匀后置于120℃烘箱中，经40min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。

（2）将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用；将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨（砂纸依次选用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和机械抛光，将表面抛至粗糙度为Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗20min；

（3）渗铌处理：将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至950℃，保温1.5h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（4）将超声波清洗后的钛合金工件放入上步配备好的渗铌盐浴内，并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温4h取出空冷，即在金属钛表面制得渗铌层。

（3）清洗工件：将工件放人沸水中煮，直至清除粘结的硼砂。

取出样品后进行检测。经扫描电子显微镜检测添加Fe粉的渗铌层厚度为15μm（图1），与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了837%；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达33%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散（图3），其界面结合好；渗铌层外表层显微硬度为1021.8HV，较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高，约为8.3%（图4）。

以下为对比实施例：

实施例2。

方法与实施例1基本相同，不同之处在于所采用的渗铌剂未添加Fe粉催化剂，其中SiC的质量百分比为6%。

取出样品后检测。经金相显微镜检测可得渗层厚度为1.6μm（图2）,渗铌层外表层显微硬度为943.4HV。

实施例三。

一种金属钛表面渗铌方法，它包括盐浴渗铌剂制备-金属钛表面预处理－渗铌处理－清洗工件。

（1）盐浴渗铌剂制备，取无水硼砂（Na₂B₄O₇）780克、氧化铌（Nb₂O₅）120克（纯度为99.5%）、绿色纯洁的、粒度为150～200目的碳化硅（SiC）40克和Fe粉60克（纯度为99.99%），混合均匀后置于100℃烘箱中，经60min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。

（2）将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用；将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨（砂纸依次选用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和机械抛光，将表面抛至粗糙度为Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗25min；

（3）渗铌处理：将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至900-950-1050℃，保温1h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（4）将超声波清洗后的钛合金工件放入上步配备好的渗铌盐浴内，并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温6h取出空冷，即在金属钛表面制得渗铌层。

（3）清洗工件：将工件放人沸水中煮，直至清除粘结的硼砂。

取出样品后进行检测。经扫描电子显微镜检测添加Fe粉的渗铌层厚度为14.5μm，与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了800%；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达32%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散（与图3相近似），其界面结合好；渗铌层外表层显微硬度为1022.7HV，较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高，约为8.2%（与图4相近似）。

实施例四。

一种金属钛表面渗铌方法，它包括盐浴渗铌剂制备-金属钛表面预处理－渗铌处理－清洗工件。

（1）盐浴渗铌剂制备，取无水硼砂（Na₂B₄O₇）880克、氧化铌（Nb₂O₅）80克（纯度为99.5%）、绿色纯洁的、粒度为150～200目的碳化硅（SiC）20克和Fe粉20克（纯度为99.99%），混合均匀后置于110℃烘箱中，经50min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。

（2）将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用；将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨（砂纸依次选用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和机械抛光，将表面抛至粗糙度为Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗20min；

（3）渗铌处理：将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至900-950-1050℃，保温2h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（4）将超声波清洗后的钛合金工件放入上步配备好的渗铌盐浴内，并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温10h取出空冷，即在金属钛表面制得渗铌层。

（3）清洗工件：将工件放人沸水中煮，直至清除粘结的硼砂。

取出样品后进行检测。经扫描电子显微镜检测添加Fe粉的渗铌层厚度为15.1μm，与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了800%；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达33.2%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散（与图3相近似），其界面结合好；渗铌层外表层显微硬度为1023.7HV，较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高，约为8.2%（与图4相近似）。

实施例五。

一种金属钛表面渗铌方法，它包括盐浴渗铌剂制备-金属钛表面预处理－渗铌处理－清洗工件。

（1）盐浴渗铌剂制备，取无水硼砂（Na₂B₄O₇）800克、氧化铌（Nb₂O₅）100克（纯度为99.5%）、绿色纯洁的、粒度为150～200目的碳化硅（SiC）60克和Fe粉40克（纯度为99.99%），混合均匀后置于105℃烘箱中，经45min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。

（2）将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用；将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨（砂纸依次选用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和机械抛光，将表面抛至粗糙度为Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗20min；

（3）渗铌处理：将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至900-950-1050℃，保温2h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（4）将超声波清洗后的钛合金工件放入上步配备好的渗铌盐浴内，并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温5h取出空冷，即在金属钛表面制得渗铌层。

（3）清洗工件：将工件放人沸水中煮，直至清除粘结的硼砂。

取出样品后进行检测。经扫描电子显微镜检测添加Fe粉的渗铌层厚度为15.2μm，与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了800%；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达34%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散（与图3相近似），其界面结合好；渗铌层外表层显微硬度为1025.4HV，较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高，约为8.2%（与图4相近似）。

本发明未涉及部分均于现有技术相同或可采用现有技术加以实现。