[发明专利]一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法

说明书

本发明涉及金属钛渗氮技术领域，尤其涉及一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法。本发明的强化方法包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。采用本发明的方法可以提高渗氮速率和渗层厚度，使纯钛表面得到足够的强化，提高纯钛的耐磨性和接触疲劳性能，还能提高基体的塑韧性，起到内外双重强化的作用；与此同时还能调节氮原子浓度梯度，降低表面杨氏模量。

技术领域

本发明涉及金属钛渗氮技术领域，尤其涉及一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法。

背景技术

TA1、TA2、TA3等工业纯钛的钛元素含量不低于99％，以其比强度高、耐腐蚀性优良、生物相容性好等特点获得广泛应用。作为一种优良的生物相容性金属，钛对生物体完全无毒害作用，因此在生物医学领域上有重要作用，常用于人造骨骼、义齿等。

TA1等工业纯钛的缺点为固有的摩擦学性能差，此缺点限制了其应用范围，因此纯钛往往需要进行表面强化才能更好地应用。气体渗氮和离子渗氮等渗氮工艺被广泛采用来强化纯钛表面，提高其抗磨损性能。

目前针对纯钛零件的渗氮主要集中在650～900℃的高温区间，而在此区间的高温氮化会导致基体内的晶粒长大，降低塑韧性和耐疲劳性能。

而600℃以下低温渗氮研究表明，在此温度区间氮元素渗入纯钛的速率非常缓慢，氮原子在纯钛中很难进行长程扩散，在渗氮完成后，氮原子集中分布于表层，渗层比较薄，材料表面性能提高十分有限；而且渗氮完成后，氮原子浓度梯度大，表面杨氏模量较高，对纯钛与生物材料的结合不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，采用本发明的强化方法可以提高渗氮速率和渗层厚度，使纯钛表面得到足够的强化，提高纯钛的耐磨性和接触疲劳性能，还能提高基体的塑韧性，起到内外双重强化的作用；与此同时还能调节由表及里的氮原子浓度梯度，降低杨氏模量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。

优选的，所述低温渗氮的保温时间为4～30h。

优选的，所述低温渗氮为离子渗氮。

优选的，所述低温渗氮在氮气和氢气的混合气氛下进行。

优选的，所述低温扩散的保温时间为4～30h。

优选的，所述纯钛工件中钛元素的质量含量不低于99％。

本发明提供了一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。本发明控制冷加工成型的变形量，利用冷加工成型在纯钛金属内部形成横向织构或近似横向织构、大量的位错等内部缺陷以及再结晶小晶界，从而在低温渗氮时可大大增加氮原子渗入和向内扩散的速率以及扩散的距离，使低温渗氮成为可能；之后在低温渗氮过程中，变形的纯钛基体同时进行再结晶作用，因为过程温度低，避免了再结晶晶粒长大，形成了再结晶等轴细晶，增强了基体的塑韧性；低温渗氮后氮原子集中分布于表层，浓度梯度大，杨氏模量较高，此时进行低温扩散处理，使主要积聚于表层的氮原子向工件基体内部扩散进一步增加渗层厚度，同时调节氮原子浓度梯度，降低表面杨氏模量。