[发明专利]一种纯钛或钛合金及其表面硬化方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。