一種純鈦或鈦合金及其表面硬化方法與流程

本發明涉及一種純鈦或鈦合金及其表面硬化方法。

背景技術：

現有的純鈦與鈦合金多用于制造高級的手表部件、首飾、眼鏡框以及其他裝飾性產品。為了使純鈦或鈦合金的表面有更高的硬度和光澤度，多在純鈦或鈦合金表面作硬化處理。現有的純鈦或鈦合金表面硬化方法有以下幾種：1、大氣熱氧化處理：直接將純鈦或鈦合金部件于大氣中加熱至750℃至1000℃，使純鈦或鈦合金表面形成一層金紅石結晶型二氧化鈦(rutile)，表面硬度可達Hv1100，但這種方法制成的氧化層顏色呈現灰色，無金屬光澤，且表面粗糙，應用于一般商業產品時，通常需再做后處理；2、大氣熱氧化+真空擴散處理：經過大氣熱氧化處理后之純鈦或鈦合金部件進一步于真空熱處理爐中，于750℃至850℃之間持溫一段時間，令表面二氧化鈦結晶分解，產生氧氣以擴散方式進入純鈦或鈦合金之結晶結構中，使產生金屬基地之固溶硬化效應，含氧量越高的部分，硬度越高，但這種方法會造成結晶粒粗大化，導致表面光潔度明顯降低，且不易拋光；3、真空熱氧化氮化擴散處理：于真空爐中通入氮氣以及一定比例之氧氣或水蒸氣，并固定之真空壓力下于700℃～800℃下持溫一段時間，令氮氣與氧氣擴散進入純鈦或鈦合金的結晶結構中，使純鈦或鈦合金部件表面產生某厚度氮氧固溶體之硬化層，此方法明顯改善方法2中晶粒粗大化表面粗糙現象，但在制程中氮氣與氧氣或水蒸氣的比例以及熱處理溫度必須小心控制，否則會出現純鈦或鈦合金表面變色與粗糙的現象；4、離子滲氮法：將純鈦或鈦合金部件置于真空爐中，施加高電壓，并通入氮氣，以產生氮離子，氮離子被純鈦或鈦合金構成之電極吸引，以高速撞擊電極表面，使產生高溫促使氮原子滲入鈦金屬基材中，并于表面產生化合反應，于鈦金屬表面形成含氮之擴散層與氮化鈦化合物層，這種方法中除了氮原子滲入純鈦或鈦合金中，表面亦生成氮化鈦結晶層，因此可獲得遠高于氧化法之硬度，但會導致純鈦或鈦合金表面粗糙度大幅增加；5、真空物理蒸鍍法：運用真空物理蒸鍍方式，于純鈦或鈦合金表面直接鍍上一層硬質薄膜，這種方法雖無損純鈦或鈦合金之表面粗糙度，但由于涂層厚度有限，對于純鈦或鈦合金這種軟質基材而言并無法提供有效的硬化性能。

技術實現要素：

本發明提供一種純鈦或鈦合金及其表面硬化方法，用以解決現有技術中純鈦或鈦合金表面硬化層粗糙、硬化層結構難以控制的問題。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一方面，本發明提供了一種純鈦或鈦合金，包括由純鈦或鈦合金制作而成的基材，其特征在于：所述基材的表面設有三層氧化硬化層，所述三層的氧化硬化層由外至內分別為表面透明氧化層、外擴散層和內擴散層。

上述所述三層的氧化硬化層中，所述表面透明氧化層的厚度最薄，所述外擴散層中氧濃度最高，所述內擴散層中氧濃度由外至內逐漸降低。

上述所述三層的氧化硬化層的總厚度為10～40μm。上述所述三層的氧化硬化層的硬度值為Hv350～Hv750

另一方面，本發明提供了一種純鈦或鈦合金表面硬化方法，其特征在于，包括：

抽真空：將清潔后的基材放入爐中，對爐內抽真空,所述的基材由純

鈦或鈦合金制作而成；

加熱：在真空狀態下對所述基材加溫至預設溫度，并在加溫的過程中向爐內通入氬氣；

硬化：當加溫到預設溫度后，持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體；

除氫：關閉混合氣體供應并持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣，以去除滲入所述基材內部的氫氣；

降溫：當爐內溫度低于300℃后，對爐內通入氮氣至室溫。

上述所述抽真空：將清潔后的基材放入爐中，對爐內抽真空的步驟，具體為：先用粗抽泵將爐內真空度抽至5×10⁰Pa以下，再用高真空泵抽至真空度5×10^-4Pa以下。

上述所述加熱：在真空狀態下對所述基材加溫至預設溫度，并在加溫的過程中向爐內通入氬氣的步驟，具體為：在真空狀態下加熱至650℃～710℃，加熱過程中通入1～5×10^-1Pa氬氣。

上述所述硬化：當加溫到預設溫度后，持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體的步驟，具體為：當加溫到預設溫度后持溫時間大于1小時，通入混合氣體時氣體總壓為9×10^-4Pa～5×10^-1Pa，所述混合氣體中氧氣的含量占總壓力之1000ppm～15000ppm，氫氣的含量占總壓力之1000ppm～50000ppm。

上述所述除氫：關閉混合氣體供應并持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣，以去除滲入所述基材內部的氫氣的步驟，具體為：關閉混合氣體供應并持溫0.5小時以上，同時向爐內通入氬氣，通入氬氣時真空度維持于1～5×10^-1Pa之間。

上述所述降溫：當爐內溫度低于300℃后，對爐內通入氮氣至室溫的步驟，具體為：停止加熱，向爐內持續通入氬氣并使真空度繼續保持于1～5×10^-1Pa之間，當爐內溫度降低至300℃后，關閉抽氣閥門并停止通入氬氣，通入氮氣對爐內強制冷卻直到室溫。

與現有技術相比，本發明所述的純鈦或鈦合金及其表面硬化方法，有以下優點：

1、所述基材表面的三層氧化硬化層，能很好地保護所述基材，使其表面硬度高、光澤度高；

2、純鈦或鈦合金表面色澤均勻白亮，無變色情形，表面以CIE1976(L*a*b*)之E*ab值來管理，E*ab≦1.0。

3、純鈦或鈦合金表面硬化方法，使用真空加熱、滲氧硬化、在滲氧硬化過程中通入氫氣以提高硬化效果，使所述硬化方法易于控制，能獲得良好的外觀。

4、加熱過程中通入氬氣，以防止基材表面在升溫過程中產生明顯的氧化變色。此溫度區段也是純鈦或鈦合金的再結晶溫度，有助于消除基材經過鍛造、切削、研磨、拋光等加工程序所產生的內應力以及晶粒破壞；

5、硬化過程中通入氫氣可以防止基材表面產生劇烈的氧化作用,并且加速氧氣在鈦合金基材中的擴散速率；

6、降溫過程中通入氬氣可防止降溫過程中基材表面氧化變色。

附圖說明

圖1為本發明實施例一提供的純鈦或鈦合金的結構示意圖；

圖2為本發明實施例一提供的純鈦或鈦合金表面的三層氧化硬化層總厚度和硬度之間的關系圖；

圖3為本發明實施例二提供的純鈦或鈦合金表面硬化方法的流程示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例一：

如圖1所示，本實施例提供的一種純鈦或鈦合金，包括由純鈦或鈦合金制作而成的基材1，其特征在于：所述金基材1的表面設有三層氧化硬化層，所述三層的氧化硬化層由外至內分別為表面透明氧化層2、外擴散層3和內擴散層4。

純鈦或鈦合金表面的三層的氧化硬化層能很好地保護基材1，使其硬度高、光澤度高。

上述所述三層的氧化硬化層中，所述表面透明氧化層2的厚度最薄，以至于不會因光干涉作用產生變色情形；外擴散層3中氧濃度最高，外擴散層3的厚度影響了最終的硬化結果；內擴散層4中氧濃度由外至內逐漸降低，最終與基材1相同。

上述所述三層的氧化硬化層的總厚度為10～40μm，硬度值為Hv350～Hv750。

所述三層氧化硬化層總厚度和硬度之間的關系如圖2所示。

上述所述純鈦或鈦合金表面色澤均勻白亮，無變色情形，表面以CIE1976(L*a*b*)之E*ab值來管理，E*ab≦1.0。

實施例二：

如圖3所示，本實施例提供的一種純鈦或鈦合金表面硬化方法，其特征在于，包括：

步驟1、抽真空：將清潔后的基材放入爐中，對爐內抽真空,所述的基材由純鈦或鈦合金制作而成；

步驟2、加熱：在真空狀態下對所述基材加溫至預設溫度，并在加溫的過程中向爐內通入氬氣；

步驟3、硬化：當加溫到預設溫度后，持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體；

步驟4、除氫：關閉混合氣體供應并持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣，以去除滲入所述基材內部的氫氣；

步驟5、降溫：當爐內溫度低于300℃后，對爐內通入氮氣至室溫。

上述所述步驟1、抽真空：將清潔后的基材放入爐中，對爐內抽真空的步驟，具體為：

先用粗抽泵將爐內真空度抽至5×10⁰Pa以下，再用高真空泵抽至真空度5×10^-4Pa以下。

上述所述步驟2、加熱：在真空狀態下對所述基材加溫至預設溫度，并在加溫的過程中向爐內通入氬氣的步驟，具體為：

在真空狀態下對所述基材加熱至650℃～710℃，并在加溫的過程中通入1～5×10^-1Pa氬氣。

溫度高于710℃時純鈦與鈦合金表面會產生明顯的晶粒成長，使得基材表面粗糙度增加，導致光潔度下降﹔而溫度低于650℃時氣體在基材中的擴散速率太低，硬化處理時間過長。因此，650℃～710℃的溫度區段也是純鈦與鈦合金的再結晶溫度，有助于消除基材經過鍛造、切削、研磨、拋光等加工程序所產生的內應力以及晶粒破壞。

在加熱過程中通入氬氣，以防止所述基材表面在升溫過程中產生明顯的氧化變色。

上述所述步驟3、硬化：當加溫到預設溫度后，持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體的步驟，具體為：

當加溫到650℃～710℃后持溫至少1小時，同時向爐內通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體，通入混合氣體時氣體總壓為9×10^-4Pa～5×10^-1Pa，所述混合氣體中氧氣的含量占總壓力之1000ppm～15000ppm，氫氣的含量占總壓力之1000ppm～50000ppm。

使用氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體，其中的氫氣可以防止所述基材表面產生劇烈的氧化作用,并且加速氧氣在所述基材中的擴散速率。

上述所述步驟4、除氫：關閉混合氣體供應并持溫一定時間，同時向爐內通入氬氣，以去除滲入所述基材內部的氫氣的步驟，具體為：

關閉混合氣體供應并持溫至少0.5小時，同時向爐內通入氬氣，通入氬氣時真空度維持于1～5×10^-1Pa之間。

此步驟可徹底去除滲入所述基材內部的氫氣，防止基材產生脆化的現象。

上述所述步驟5、降溫：當爐內溫度低于300℃后，對爐內通入氮氣至室溫的步驟，具體為：

停止加熱，向爐內持續通入氬氣并使真空度繼續保持于1～5×10^-1Pa之間，當爐內溫度降低至純鈦與鈦合金不氧化溫度的300℃后，關閉抽氣閥門并停止通入氬氣，通入氮氣對爐內強制冷卻直到室溫。

通入氬氣可防止降溫過程中所述基材表面氧化變色。

上述所述基材為以純鈦或鈦合金為基底的手表零部件或其他裝飾性部品，例如表殼、表帶、扣件以及眼鏡架、戒指、手鏈等，其表面已經經過拋光處理、發絲紋處理、噴砂處理等工序。

上述所述清潔后的基材是指基材在加工后經過了超聲波清洗。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。