專利名稱：一種改善純鈦表面綜合性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)，特指一種顯著提高純鈦表面硬度、耐腐蝕、耐磨損
等性能的改進(jìn)型熱氧化工藝。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金由于其高的比強(qiáng)度、極好的耐腐蝕性能和良好的生物相容性廣泛地應(yīng)用于航空航天、航海、生物醫(yī)療以及其他領(lǐng)域。但是差的耐磨性及在某些介質(zhì)中較差的抗腐蝕性制約了鈦及鈦合金在很多地方的應(yīng)用。改善鈦及鈦合金耐磨性及抗腐蝕性的方法主要有表面滲碳、滲氮、滲氧。 鈦材滲氧是在一定條件下通過氧發(fā)生反應(yīng)，生成一層穩(wěn)定而連續(xù)的、結(jié)合牢固的氧化膜，從而提高鈦的表面硬度、耐腐蝕、耐磨損等性能。鈦材表面滲氧的方法主要有(l)微弧氧化，(2)陽極氧化，(3)等離子滲氧，(4)熱氧化等。 根據(jù)吳全興等等譯校，1997年西安西北有色金屬研究院，《鈦工業(yè)進(jìn)展》編輯部出版的《鈦加工技術(shù)》，P. 176，陽極氧化處理所生成的氧化膜是由無定形Ti02或水合Ti02所組成，當(dāng)Ti02為金紅石晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，其與基體結(jié)合更牢固、耐腐蝕性與耐磨損性更高
汪劍波，"鈦合金微弧氧化膜微晶生長特性的研究"，《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》，2006年，21(3)， p. 731 735，采用微弧氧化法在鈦合金表面獲得的氧化膜由金紅石型1102和銳鈦礦型Ti02組成，呈多孔結(jié)構(gòu)，且隨著處理時(shí)間的增加，微孔尺寸增加，膜的密度也明顯減小。銳鈦礦型Ti02及多孔結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致氧化膜耐腐蝕性與耐磨損性下降。姚忠平，"微等離子體氧化陶瓷膜對(duì)鈦合金接觸腐蝕的影響"，《材料熱處理學(xué)報(bào)》，2007年，28 (增刊)，采用微等離子體氧化技術(shù)在鈦合金表面生長復(fù)合氧化物陶瓷膜，但陶瓷膜上有微孔，使陶瓷膜的一些性能不均勻，而且膜層表面有許多微孔及微裂紋。 本改進(jìn)型熱氧化法克服了陽極氧化處理所生成的氧化膜由無定形1102或水合1102組成、微弧氧化法和微等離子體氧化所生成的氧化膜呈多孔結(jié)構(gòu)的不足、獲得具有金紅石晶體結(jié)構(gòu)的Ti02氧化膜，該氧化膜致密、均勻、與基體結(jié)合牢固、耐腐蝕性與耐磨損性高。 同時(shí)，在鈦材表面滲氧的所有方法中，大氣熱氧化法成本最低，操作最為方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述方法存在的不足，采用改進(jìn)型熱氧化法改善純鈦表面綜合性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案為將純鈦磨光、清洗后，先置于箱式電阻爐中進(jìn)行50(TC、半
小時(shí)的大氣預(yù)氧化，然后進(jìn)行常規(guī)熱氧化，熱氧化溫度范圍為550-85(TC、熱氧化時(shí)間范圍
為l-10h。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，提高TA2表面硬度、耐HC1和H202腐蝕、摩擦性能的最佳熱氧化工
藝參數(shù)為650-750。C，3-5h。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、操作簡(jiǎn)單方便、工藝成本低。將準(zhǔn)備好的純鈦放入大氣電阻爐中進(jìn)行一定時(shí)間預(yù)氧化后，再進(jìn)行一定條件(溫度、時(shí)間)的熱氧化即可。 2、表面綜合性能顯著改善。表面硬度明顯提高、耐腐蝕性大大增強(qiáng)、耐磨損性能顯著改善。


圖1實(shí)施例2中原始樣和氧化后樣品的XRD圖譜
圖2實(shí)施例2中熱氧化后樣品的表面SEM圖
圖3實(shí)施例2中熱氧化后樣品截面的SEM圖 圖4實(shí)施例2中TA2原始樣和熱氧化后的樣品在HC1中腐蝕10h后表面形貌
圖5實(shí)施例1、2、3中TA2原始樣和熱氧化后樣品在室溫下36% 38%的HC1中的腐蝕情況 圖6實(shí)施例1、2、3中TA2原始樣和熱氧化后樣品在36. 5T下36% 38%的H202中的腐蝕情況 圖7實(shí)施例2、3中TA2原始樣和熱氧化后樣品摩擦系數(shù)曲線
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1預(yù)氧化后再進(jìn)行650°C +3. 5h熱氧化 將準(zhǔn)備好的TA2放入650°C的箱式電阻爐中熱氧化3. 5h，將原始樣和熱氧化后的樣品放入室溫下濃度為36% 38%的HC1溶液中腐蝕12h后，原始樣減重為120. 50g/m2，氧化后樣品減重為80. 3g/m、如圖5所示；在36. 5"C下濃度為30%的11202溶液中腐蝕23611，原始樣減重為313. 851g/m、熱氧化樣的減重僅為17. 30g/tf，如圖6。熱氧化處理大大提高鈦材耐36% 38%的HC1和30% H202的腐蝕能力。
實(shí)施例2預(yù)氧化后再進(jìn)行650°C +5h熱氧化 將準(zhǔn)備好的TA2放入65(TC的箱式電阻爐中熱氧化5h，熱氧化后純鈦表面形成了一層厚度為l-5ym的膜，如圖l所示，從圖中可以看出這層膜為金紅石TiO"如圖2所示，從SEM圖看出這層膜致密均勻。如附圖3所示，在氧化層與基體之間形成一層高氧含量的氧擴(kuò)散層，A為氧化層，B為氧擴(kuò)散層，C為基體。將原始樣和熱氧化后的樣品放入室溫下濃度為36% 38X的HC1溶液中腐蝕10h后，SEM觀察表明形貌，如圖4。可以看出，原始樣腐蝕嚴(yán)重，而氧化后樣品經(jīng)同樣時(shí)間腐蝕表面只有少量孔隙。腐蝕10h后，原始樣減重為13. 70g/m、熱氧化后樣品減重為2. 00g/tf，熱氧化顯著提高了 TA2耐HC1腐蝕能力，如圖5所示。圖6為TA2經(jīng)650°C 5h熱氧化前后在36. 5。C下濃度為30% H202中的腐蝕情況，可以看出，原始樣在H202中的腐蝕減重幾乎呈直線，腐蝕236h后減重為313. 85g/m2，熱氧化后樣品耐H202腐蝕能力提高，熱氧化后樣品腐蝕減重呈拋物線，腐蝕236h后減重為5. 16g/m2，可見，熱氧化法可以有效的提高TA2耐H2(^腐蝕。圖7為熱氧化前后摩擦系數(shù)比較，可以看出原始樣的摩擦系數(shù)較高且極不穩(wěn)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都在波動(dòng)，所以TA2是典型的不耐磨材料；熱氧化后TA2樣品的摩擦系數(shù)減小且較穩(wěn)定，可見熱氧化方法可以提高TA2的耐磨性。所以，熱氧化后氧化層及氧擴(kuò)散層的形成使純鈦表面硬度、耐腐蝕、耐磨損等性能達(dá)到顯著改善。 實(shí)施例3預(yù)氧化后再進(jìn)行700°C +4h熱氧化
將準(zhǔn)備好的TA2放入700°C的箱式電阻爐中熱氧化4h，再將原始樣和熱氧化后的 樣品放入室溫下濃度為36% 38%的HC1溶液中腐蝕12h后，原始樣減重為120. 50g/m2， 氧化后樣品減重為2. 95g/tf，如圖5 ;在36. 5t:下濃度為30 %的H202中腐蝕236h后，原始 樣減重為313. 85g/tf，氧化后樣品減重為3. 46g/tf，如圖6。從圖7可看出，熱氧化后的摩 擦系數(shù)比原始樣穩(wěn)定且浮動(dòng)小，所以，熱氧化提高了 TA2耐36% 38%的HC1和30% H202 的腐蝕能力和摩擦性能。
權(quán)利要求
一種改善純鈦表面綜合性能的方法，其特征在于將純鈦磨光、清洗后，先進(jìn)行500℃、半小時(shí)的大氣預(yù)氧化，然后進(jìn)行常規(guī)熱氧化，熱氧化溫度范圍為550-850℃、熱氧化時(shí)間范圍為1-10h。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熱氧化溫度范圍為650-750。C、熱氧化時(shí)間范 圍為3-5h。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)，特指一種顯著提高純鈦表面硬度、耐腐蝕、耐磨損等性能的熱氧化工藝。將純鈦磨光、清洗后，先置于箱式電阻爐中進(jìn)行500℃、半小時(shí)的大氣預(yù)氧化，然后進(jìn)行常規(guī)熱氧化，熱氧化溫度范圍為550-850℃、熱氧化時(shí)間范圍為1-10h。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單方便、工藝成本低將準(zhǔn)備好的純鈦放入一定溫度的大氣電阻爐中預(yù)氧化后進(jìn)行一定條件的熱氧化即可；表面綜合性能顯著改善表面硬度明顯提高、耐腐蝕性大大增強(qiáng)、耐磨損性能顯著改善。
文檔編號(hào)C23C8/02GK101713060SQ20091026403
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者王大月, 王燕, 胡靜 申請(qǐng)人:江蘇工業(yè)學(xué)院