金属钛表面盐浴渗铌剂及其渗铌方法与流程

本发明涉及一种化学热处理技术，尤其是一种渗铌剂及其渗铌方法，具体是一种金属钛表面盐浴渗铌剂及其渗铌方法。

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、抗腐蚀性和方法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，且其硬度低、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一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方法、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。据申请人所知，尚未有人采用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金属表面渗铌技术存在的成本高、灵活性差、需要真空环境而导致工业实用性差的问题，发明一种金属钛表面盐浴渗铌剂，同时提供其渗铌方法，它不仅能够获得性能优异的渗铌层，而且具有操作简单、易实现、对设备要求低等特点，具有优良的经济性。

本发明的技术方案之一是：

一种金属钛表面盐浴渗铌剂，其特征在于它主要由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化铌（Nb₂O₅）和碳化硅（SiC）组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为80%～88%；Nb₂O₅的质量百分比为8%～12%；SiC的质量百分比为4%～8%，各组份的质量百分比之和为100%；碳化硅为绿色纯洁的、粒度为150～200目的市售碳化硅，氧化铌的纯度至少为99.5%；将所述各组份混合均匀后置于100℃～120℃烘箱40min～60min即得到所需的金属钛表面盐浴渗铌剂备用。

本发明的技术方案之二是：

一种金属钛表面盐浴渗铌剂的渗铌方法，其特征在于包括以下步骤：

（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，将表面抛至粗糙度不大于Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗至少20min；

（2）渗铌剂预处理：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）将前述经超声波清洗的金属钛工件放入经预处理的渗铌盐浴内，并使金属钛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，即在金属钛工件表面制得渗铌层；

（3）清洗工件：将金属钛工件放人沸水中煮，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^#砂纸依次打磨各1分钟以上。

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、方法性能优良的金属钛表面盐浴渗铌剂及其渗铌方法。

（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）采用该法制备的渗铌层厚度为1～15μm，渗铌层表层硬度为734～1190HV，约为基体硬度（约330HV）的2.2～3.6倍。

（4）采用该法制备的渗铌层与基体有明显的且呈梯度的元素扩散、界面结合很好。

（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。

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 钛合金表面的划痕测试谱图。

图5是实施例1 钛合金表面的摩擦系数图。

具体实施方式：

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种在金属钛表面盐浴渗铌的方法，它包括催渗剂制备、工件表面预处理、催渗剂预处理、渗铌处理和工件清洁，其中：

催渗剂制备是指将840克无水硼砂（Na₂B₄O₇）、100克氧化铌（Nb₂O₅）和60克碳化硅（SiC）混合均匀后置于120℃烘箱40minmin即得到所需的金属钛表面盐浴渗铌剂备用，其中碳化硅为市售绿色纯洁的碳化硅、粒度为150～200目，氧化铌的纯度至少为99.5%；

工件表面预处理是先将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用。将切割成形的金属钛表面经除油、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）渗铌剂预处理：将上述制备所得的渗铌剂装入坩埚后再放入电阻炉中，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）渗铌：将工件放入经过预处理的渗铌盐浴内，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渗铌层厚度高可达15µm左右（图1）；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达22%（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；渗铌层表层显微硬度为734.9HV，约为基体硬度（约330HV）的2.2倍；与基体有较高的界面结合力，其临界值约为60.5N（图4）；在CETR UMT2型球－盘式摩擦磨损试验机上（载荷1N、转速50r/min、时间10min、对磨件为直径10mm的钨钢球、磨痕直径为4mm）测得摩擦系数为0.15～0.25（图5）。

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配方由840克Na₂B₄O₇ （占84%），100克Nb₂O₅ （占10%），60克SiC（占 6%）。

取出样品后检测。经扫描电子显微镜检测可得渗层厚度为1.6μm（图2）；渗铌层表层硬度为1155HV，约为基体硬度的3.5倍。

实施例3

方法与实施例1基本相同，不同之处在于所采用的渗铌方法中的渗铌温度为1000℃。

取出样品后检测，渗铌层表层硬度为1071.8HV，约为基体硬度的3.2倍。

实施例4

方法与实施例1基本相同，不同之处在于所采用的渗铌方法中的渗铌时间为5h。

取出样品后检测，渗铌层表层硬度为1190.3HV，约为基体硬度的3.6倍。

实施例5。

一种在金属钛表面盐浴渗铌的方法，它包括催渗剂制备、工件表面预处理、催渗剂预处理、渗铌处理和工件清洁，其中：

催渗剂制备是指将880克无水硼砂（Na₂B₄O₇）、80克氧化铌（Nb₂O₅）和40克碳化硅（SiC）混合均匀后置于100℃℃烘箱60min即得到所需的金属钛表面盐浴渗铌剂备用，其中碳化硅为市售绿色纯洁的碳化硅、粒度为150～200目，氧化铌的纯度至少为99.5%；

工件表面预处理是先将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用。将切割成形的金属钛表面经除油、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；

（5）渗铌剂预处理：将上述制备所得的渗铌剂装入坩埚后再放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至900℃，保温1h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（6）渗铌：将工件放入经过预处理的渗铌盐浴内，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10 h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渗铌层厚度高可达15µm左右；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达22.3%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散，其界面结合好；渗铌层表层显微硬度为731.9HV，约为基体硬度（约330HV）的2.19倍；与基体有较高的界面结合力，其临界值约为60.5N；在CETR UMT2型球－盘式摩擦磨损试验机上（载荷1N、转速50r/min、时间10min、对磨件为直径10mm的钨钢球、磨痕直径为4mm）测得摩擦系数为0.15～0.25。

实施例6

一种在金属钛表面盐浴渗铌的方法，它包括催渗剂制备、工件表面预处理、催渗剂预处理、渗铌处理和工件清洁，其中：

催渗剂制备是指将800克无水硼砂（Na₂B₄O₇）、120克氧化铌（Nb₂O₅）和80克碳化硅（SiC）混合均匀后置于110℃烘箱50min即得到所需的金属钛表面盐浴渗铌剂备用，其中碳化硅为市售绿色纯洁的碳化硅、粒度为150～200目，氧化铌的纯度至少为99.5%；

工件表面预处理是先将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用。将切割成形的金属钛表面经除油、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；

（7）渗铌剂预处理：将上述制备所得的渗铌剂装入坩埚后再放入电阻炉中，加热至850℃，使硼砂全部融化；然后将炉温升至1050℃，保温2h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；

（8）渗铌：将工件放入经过预处理的渗铌盐浴内，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7h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渗铌层厚度高可达15µm左右；渗铌层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现；含Nb达23%（At%）；与基体间有明显且呈梯度的元素扩散，其界面结合好；渗铌层表层显微硬度为735.9HV，约为基体硬度（约330HV）的2.21倍；与基体有较高的界面结合力，其临界值约为60.5N；在CETR UMT2型球－盘式摩擦磨损试验机上（载荷1N、转速50r/min、时间10min、对磨件为直径10mm的钨钢球、磨痕直径为4mm）测得摩擦系数为0.15～0.25（图5）。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。