本發(fā)明涉及化學熱處理領域，尤其是一種滲鈮劑及其滲鈮工藝，具體是一種金屬鈦表面Fe粉催滲的鹽浴滲鈮劑及其滲鈮工藝。

背景技術：

鈦以及鈦合金作為生物醫(yī)用材料，以其較低的彈性模量、良好的生物相容性、抗腐蝕性和工藝性等優(yōu)點而被廣泛的應用于硬組織替換、心臟瓣膜、血管支架、齒根以及各種矯形器械等。但雖然其彈性模量相對于其他生物醫(yī)用材料較低，卻仍然遠高于人骨的彈性模量，但其硬度低、摩擦系數(shù)大、表面抗磨損能力較差，抗腐蝕性能也需進一步提高。由于Ti-Nb合金具有超低彈性模量、耐腐蝕和生物相容性好等優(yōu)點，且鈮的滲入已被證實可增強純鈦及鈦合金的硬度和耐磨性能，因此滲鈮處理是提高金屬鈦表面耐磨性能、抗腐蝕性能，降低其彈性模量的有效手段之一。

目前廣泛應用于制備滲鈮層的三種表面技術分別是：離子注入技術、磁控濺射鍍膜技術、雙層輝光等離子滲金屬技術。這些技術雖然在設備工藝、涂層結(jié)合性能等方面有著很大的優(yōu)勢，但普遍存在成本高、靈活性差等局限性，很大程度上限制了其向工程實踐轉(zhuǎn)化。而且，離子注入技術形成的改性層過薄，磁控濺射鍍膜技術、雙層輝光等離子滲金屬技術需要在真空保護條件下完成，這樣設備復雜，給操作帶來不便。

鹽浴滲鈮技術具有滲層質(zhì)量高、性能好，設備簡單，操作方便，成本低廉等特點，是一種極具發(fā)展前途的表面強化技術。大量研究表明Fe粉不僅是一種很好的還原劑,而且還是一種很好的催滲劑，使?jié)B速加快,從而增加滲層厚度，改善滲層質(zhì)量。據(jù)申請人所知，尚未有人采用Fe粉催滲的鹽浴滲鈮技術在金屬鈦表面獲得滲鈮層。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的鈦合金表面滲鈮技術存在的成本高、靈活性差、設備、環(huán)境要求高等問題，發(fā)明了一種金屬鈦表面Fe粉催滲的鹽浴滲鈮劑及其滲鈮方法，它不僅能夠在提高滲速的同時獲得表面質(zhì)量優(yōu)異的滲鈮層，而且具有較好的可操作性和優(yōu)良的經(jīng)濟性。

本發(fā)明的技術方案之一是：

一種金屬鈦表面Fe粉催滲的鹽浴滲鈮劑，其特征在于它由無水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化鈮（Nb₂O₅）、碳化硅（SiC）和Fe粉組成，其中Na₂B₄O₇的質(zhì)量百分比為78%～88%；Nb₂O₅的質(zhì)量百分比為8%～12%；SiC的質(zhì)量百分比為2%～6%；Fe粉的質(zhì)量百分比為2%～4%，各組份的質(zhì)量百分比為100%，碳化硅為綠色純潔的、粒度為150～200目，氧化鈮的純度為99.5%；將所述質(zhì)量百分比的各組分，混合均勻后置于100℃～120℃烘箱中，經(jīng)40min～60min烘干即得到所需的鹽浴滲鈮劑備用。

本發(fā)明的技術方案之二是：

一種金屬鈦表面Fe粉催滲的鹽浴滲鈮劑的滲鈮方法，其特征在于它包括以下步驟：

（1）金屬鈦表面預處理：將金屬鈦表面經(jīng)除油、去離子水清洗后進行表面砂紙打磨和機械拋光，將表面拋至粗糙度為不超過Ra0.5μm，然后丙酮超聲波清洗至少20min；

（2）滲鈮處理：將裝有滲鈮劑的坩堝放入電阻爐中，加熱至850℃，使硼砂全部融化；然后將爐溫升至900～1050℃，保溫1～2h，同時每隔半小時用金屬棒攪拌均勻；

（3）將工件放入配備好的滲鈮鹽浴內(nèi)，并使工件的主要工作面盡量保持與鹽浴流動方向垂直，保溫4～10h取出空冷，即在金屬鈦表面制得滲鈮層。

（4）清洗工件：將工件放人沸水中煮泡，直至清除粘結(jié)的硼砂。

所述的砂紙打磨是指分別用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#依次打磨。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明提供了一種操作簡單、成本低廉、工藝性能優(yōu)良的金屬鈦表面Fe粉催滲的鹽浴滲鈮劑及其滲鈮工藝。

（2）本發(fā)明不需真空保護，在空氣條件下就可對金屬鈦進行滲鈮處理。

（3）本發(fā)明提高了滲鈮的速率，增加了滲層的厚度，制得高硬度、高韌性的滲鈮層，與基體間有明顯且呈梯度的元素擴散，其界面結(jié)合好。

（4）在相同的滲鈮工藝參數(shù)下，與未添加Fe粉的滲鈮層相比，添加Fe粉的滲鈮層厚度大幅增加，增幅為837%；外表層硬度稍有提高，增幅為8.3%。

（5）本發(fā)明不僅適用于各種型號鈦合金，還適用于純鈦材的表面處理。

本發(fā)明的滲鈮劑加入了2%～4% Fe粉作為催滲劑，同時確定了滲鈮劑的制備方法和滲鈮工藝，滲鈮的關鍵工藝參數(shù)為滲鈮溫度900℃～1050℃、滲鈮保溫時間4h～10h。通過以上滲鈮劑及滲鈮工藝，在鈦金屬表面成功制備的滲鈮層滲層厚度為15μm，與未添加Fe粉滲鈮層厚度相比增加了837%；滲鈮層與基體結(jié)合緊密，未有裂紋和孔洞出現(xiàn)；含Nb達33%（At%）；與基體間有明顯且呈梯度的元素擴散，其界面結(jié)合好；滲鈮層外表層顯微硬度為1021.8HV，較之未添加Fe粉滲鈮層相比稍有提高，約為8.3%。

本發(fā)明滲速快、滲層厚、工件表面質(zhì)量好、操作工藝簡單、經(jīng)濟性能優(yōu)良，可用于工業(yè)生產(chǎn)，在生物醫(yī)用等領域具有很廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是實施例1 鈦合金在950℃保溫4h后滲鈮層掃描電子顯微鏡圖。

圖2是實施例2 鈦合金在950℃保溫4h后滲鈮層掃描電子顯微鏡圖。

圖3是實施例1 鈦合金在950℃保溫4h后滲鈮層的元素擴散圖。

圖4是實施例1、實施例2 鈦合金表面滲鈮層的硬度分布對比圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例1。

一種金屬鈦表面滲鈮方法，它包括鹽浴滲鈮劑制備-金屬鈦表面預處理－滲鈮處理－清洗工件。

（1）鹽浴滲鈮劑制備，取無水硼砂（Na₂B₄O₇）840克、氧化鈮（Nb₂O₅）100克（純度為99.5%）、綠色純潔的、粒度為150～200目的碳化硅（SiC）40克和Fe粉20克（純度為99.99%），混合均勻后置于120℃烘箱中，經(jīng)40min烘干即得到所需的鹽浴滲鈮劑備用。

（2）將TC4鈦合金棒材線切割成10mm×12mm×3mm的型材備用；將金屬鈦表面經(jīng)除油、去離子水清洗后進行表面砂紙打磨（砂紙依次選用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和機械拋光，將表面拋至粗糙度為Ra0.5μm，然后丙酮超聲波清洗20min；

（3）滲鈮處理：將裝有滲鈮劑的坩堝放入電阻爐中，加熱至850℃，使硼砂全部融化；然后將爐溫升至950℃，保溫1.5h，同時每隔半小時用金屬棒攪拌均勻；

（4）將超聲波清洗后的鈦合金工件放入上步配備好的滲鈮鹽浴內(nèi)，并使工件的主要工作面盡量保持與鹽浴流動方向垂直，保溫4h取出空冷，即在金屬鈦表面制得滲鈮層。

（3）清洗工件：將工件放人沸水中煮，直至清除粘結(jié)的硼砂。

取出樣品后進行檢測。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測添加Fe粉的滲鈮層厚度為15μm（圖1），與未添加Fe粉滲鈮層厚度相比增加了837%；滲鈮層與基體結(jié)合緊密，未有裂紋和孔洞出現(xiàn)；含Nb達33%（At%）；與基體間有明顯且呈梯度的元素擴散（圖3），其界面結(jié)合好；滲鈮層外表層顯微硬度為1021.8HV，較之未添加Fe粉滲鈮層相比稍有提高，約為8.3%（圖4）。

以下為對比實施例：

實施例2。

方法與實施例1基本相同，不同之處在于所采用的滲鈮劑未添加Fe粉催化劑，其中SiC的質(zhì)量百分比為6%。

取出樣品后檢測。經(jīng)金相顯微鏡檢測可得滲層厚度為1.6μm（圖2）,滲鈮層外表層顯微硬度為943.4HV。

實施例三。

一種金屬鈦表面滲鈮方法，它包括鹽浴滲鈮劑制備-金屬鈦表面預處理－滲鈮處理－清洗工件。

（1）鹽浴滲鈮劑制備，取無水硼砂（Na₂B₄O₇）780克、氧化鈮（Nb₂O₅）120克（純度為99.5%）、綠色純潔的、粒度為150～200目的碳化硅（SiC）40克和Fe粉60克（純度為99.99%），混合均勻后置于100℃烘箱中，經(jīng)60min烘干即得到所需的鹽浴滲鈮劑備用。

（2）將TC4鈦合金棒材線切割成10mm×12mm×3mm的型材備用；將金屬鈦表面經(jīng)除油、去離子水清洗后進行表面砂紙打磨（砂紙依次選用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和機械拋光，將表面拋至粗糙度為Ra0.5μm，然后丙酮超聲波清洗25min；

（3）滲鈮處理：將裝有滲鈮劑的坩堝放入電阻爐中，加熱至850℃，使硼砂全部融化；然后將爐溫升至900-950-1050℃，保溫1h，同時每隔半小時用金屬棒攪拌均勻；

（4）將超聲波清洗后的鈦合金工件放入上步配備好的滲鈮鹽浴內(nèi)，并使工件的主要工作面盡量保持與鹽浴流動方向垂直，保溫6h取出空冷，即在金屬鈦表面制得滲鈮層。

（3）清洗工件：將工件放人沸水中煮，直至清除粘結(jié)的硼砂。

取出樣品后進行檢測。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測添加Fe粉的滲鈮層厚度為14.5μm，與未添加Fe粉滲鈮層厚度相比增加了800%；滲鈮層與基體結(jié)合緊密，未有裂紋和孔洞出現(xiàn)；含Nb達32%（At%）；與基體間有明顯且呈梯度的元素擴散（與圖3相近似），其界面結(jié)合好；滲鈮層外表層顯微硬度為1022.7HV，較之未添加Fe粉滲鈮層相比稍有提高，約為8.2%（與圖4相近似）。

實施例四。

一種金屬鈦表面滲鈮方法，它包括鹽浴滲鈮劑制備-金屬鈦表面預處理－滲鈮處理－清洗工件。

（1）鹽浴滲鈮劑制備，取無水硼砂（Na₂B₄O₇）880克、氧化鈮（Nb₂O₅）80克（純度為99.5%）、綠色純潔的、粒度為150～200目的碳化硅（SiC）20克和Fe粉20克（純度為99.99%），混合均勻后置于110℃烘箱中，經(jīng)50min烘干即得到所需的鹽浴滲鈮劑備用。

（2）將TC4鈦合金棒材線切割成10mm×12mm×3mm的型材備用；將金屬鈦表面經(jīng)除油、去離子水清洗后進行表面砂紙打磨（砂紙依次選用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和機械拋光，將表面拋至粗糙度為Ra0.5μm，然后丙酮超聲波清洗20min；

（3）滲鈮處理：將裝有滲鈮劑的坩堝放入電阻爐中，加熱至850℃，使硼砂全部融化；然后將爐溫升至900-950-1050℃，保溫2h，同時每隔半小時用金屬棒攪拌均勻；

（4）將超聲波清洗后的鈦合金工件放入上步配備好的滲鈮鹽浴內(nèi)，并使工件的主要工作面盡量保持與鹽浴流動方向垂直，保溫10h取出空冷，即在金屬鈦表面制得滲鈮層。

（3）清洗工件：將工件放人沸水中煮，直至清除粘結(jié)的硼砂。

取出樣品后進行檢測。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測添加Fe粉的滲鈮層厚度為15.1μm，與未添加Fe粉滲鈮層厚度相比增加了800%；滲鈮層與基體結(jié)合緊密，未有裂紋和孔洞出現(xiàn)；含Nb達33.2%（At%）；與基體間有明顯且呈梯度的元素擴散（與圖3相近似），其界面結(jié)合好；滲鈮層外表層顯微硬度為1023.7HV，較之未添加Fe粉滲鈮層相比稍有提高，約為8.2%（與圖4相近似）。

實施例五。

一種金屬鈦表面滲鈮方法，它包括鹽浴滲鈮劑制備-金屬鈦表面預處理－滲鈮處理－清洗工件。

（1）鹽浴滲鈮劑制備，取無水硼砂（Na₂B₄O₇）800克、氧化鈮（Nb₂O₅）100克（純度為99.5%）、綠色純潔的、粒度為150～200目的碳化硅（SiC）60克和Fe粉40克（純度為99.99%），混合均勻后置于105℃烘箱中，經(jīng)45min烘干即得到所需的鹽浴滲鈮劑備用。

（2）將TC4鈦合金棒材線切割成10mm×12mm×3mm的型材備用；將金屬鈦表面經(jīng)除油、去離子水清洗后進行表面砂紙打磨（砂紙依次選用120^#、280^#、400^#、800^#、1000^#）和機械拋光，將表面拋至粗糙度為Ra0.5μm，然后丙酮超聲波清洗20min；

（3）滲鈮處理：將裝有滲鈮劑的坩堝放入電阻爐中，加熱至850℃，使硼砂全部融化；然后將爐溫升至900-950-1050℃，保溫2h，同時每隔半小時用金屬棒攪拌均勻；

（4）將超聲波清洗后的鈦合金工件放入上步配備好的滲鈮鹽浴內(nèi)，并使工件的主要工作面盡量保持與鹽浴流動方向垂直，保溫5h取出空冷，即在金屬鈦表面制得滲鈮層。

（3）清洗工件：將工件放人沸水中煮，直至清除粘結(jié)的硼砂。

取出樣品后進行檢測。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測添加Fe粉的滲鈮層厚度為15.2μm，與未添加Fe粉滲鈮層厚度相比增加了800%；滲鈮層與基體結(jié)合緊密，未有裂紋和孔洞出現(xiàn)；含Nb達34%（At%）；與基體間有明顯且呈梯度的元素擴散（與圖3相近似），其界面結(jié)合好；滲鈮層外表層顯微硬度為1025.4HV，較之未添加Fe粉滲鈮層相比稍有提高，約為8.2%（與圖4相近似）。

本發(fā)明未涉及部分均于現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。