本發(fā)明涉及一種純鈦或鈦合金及其表面硬化方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的純鈦與鈦合金多用于制造高級(jí)的手表部件、首飾、眼鏡框以及其他裝飾性產(chǎn)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(xiàn)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(jié)晶型二氧化鈦(rutile)，表面硬度可達(dá)Hv1100，但這種方法制成的氧化層顏色呈現(xiàn)灰色，無(wú)金屬光澤，且表面粗糙，應(yīng)用于一般商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，通常需再做后處理；2、大氣熱氧化+真空擴(kuò)散處理：經(jīng)過(guò)大氣熱氧化處理后之純鈦或鈦合金部件進(jìn)一步于真空熱處理爐中，于750℃至850℃之間持溫一段時(shí)間，令表面二氧化鈦結(jié)晶分解，產(chǎn)生氧氣以擴(kuò)散方式進(jìn)入純鈦或鈦合金之結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，使產(chǎn)生金屬基地之固溶硬化效應(yīng)，含氧量越高的部分，硬度越高，但這種方法會(huì)造成結(jié)晶粒粗大化，導(dǎo)致表面光潔度明顯降低，且不易拋光；3、真空熱氧化氮化擴(kuò)散處理：于真空爐中通入氮?dú)庖约耙欢ū壤鯕饣蛩魵猓⒐潭ㄖ婵諌毫ο掠?00℃～800℃下持溫一段時(shí)間，令氮?dú)馀c氧氣擴(kuò)散進(jìn)入純鈦或鈦合金的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，使純鈦或鈦合金部件表面產(chǎn)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(xiàn)象，但在制程中氮?dú)馀c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(huì)出現(xiàn)純鈦或鈦合金表面變色與粗糙的現(xiàn)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?dú)猓援a(chǎn)生氮離子，氮離子被純鈦或鈦合金構(gòu)成之電極吸引，以高速撞擊電極表面，使產(chǎn)生高溫促使氮原子滲入鈦金屬基材中，并于表面產(chǎn)生化合反應(yīng)，于鈦金屬表面形成含氮之?dāng)U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(jié)晶層，因此可獲得遠(yuǎn)高于氧化法之硬度，但會(huì)導(dǎo)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(yùn)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(zhì)薄膜，這種方法雖無(wú)損純鈦或鈦合金之表面粗糙度，但由于涂層厚度有限，對(duì)于純鈦或鈦合金這種軟質(zhì)基材而言并無(wú)法提供有效的硬化性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種純鈦或鈦合金及其表面硬化方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中純鈦或鈦合金表面硬化層粗糙、硬化層結(jié)構(gòu)難以控制的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一方面，本發(fā)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(shè)有三層氧化硬化層，所述三層的氧化硬化層由外至內(nèi)分別為表面透明氧化層、外擴(kuò)散層和內(nèi)擴(kuò)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(kuò)散層中氧濃度最高，所述內(nèi)擴(kuò)散層中氧濃度由外至內(nèi)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(fā)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(duì)爐內(nèi)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(tài)下對(duì)所述基材加溫至預(yù)設(shè)溫度，并在加溫的過(guò)程中向爐內(nèi)通入氬氣；

硬化：當(dāng)加溫到預(yù)設(shè)溫度后，持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體；

除氫：關(guān)閉混合氣體供應(yīng)并持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣，以去除滲入所述基材內(nèi)部的氫氣；

降溫：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于300℃后，對(duì)爐內(nèi)通入氮?dú)庵潦覝亍?/p>

上述所述抽真空：將清潔后的基材放入爐中，對(duì)爐內(nèi)抽真空的步驟，具體為：先用粗抽泵將爐內(nèi)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(tài)下對(duì)所述基材加溫至預(yù)設(shè)溫度，并在加溫的過(guò)程中向爐內(nèi)通入氬氣的步驟，具體為：在真空狀態(tài)下加熱至650℃～710℃，加熱過(guò)程中通入1～5×10^-1Pa氬氣。

上述所述硬化：當(dāng)加溫到預(yù)設(shè)溫度后，持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體的步驟，具體為：當(dāng)加溫到預(yù)設(shè)溫度后持溫時(shí)間大于1小時(shí)，通入混合氣體時(shí)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(guān)閉混合氣體供應(yīng)并持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣，以去除滲入所述基材內(nèi)部的氫氣的步驟，具體為：關(guān)閉混合氣體供應(yīng)并持溫0.5小時(shí)以上，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣，通入氬氣時(shí)真空度維持于1～5×10^-1Pa之間。

上述所述降溫：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于300℃后，對(duì)爐內(nèi)通入氮?dú)庵潦覝氐牟襟E，具體為：停止加熱，向爐內(nèi)持續(xù)通入氬氣并使真空度繼續(xù)保持于1～5×10^-1Pa之間，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至300℃后，關(guān)閉抽氣閥門并停止通入氬氣，通入氮?dú)鈱?duì)爐內(nèi)強(qiáng)制冷卻直到室溫。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的純鈦或鈦合金及其表面硬化方法，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、所述基材表面的三層氧化硬化層，能很好地保護(hù)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(wú)變色情形，表面以CIE1976(L*a*b*)之E*ab值來(lái)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(guò)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(guò)程中通入氬氣，以防止基材表面在升溫過(guò)程中產(chǎn)生明顯的氧化變色。此溫度區(qū)段也是純鈦或鈦合金的再結(jié)晶溫度，有助于消除基材經(jīng)過(guò)鍛造、切削、研磨、拋光等加工程序所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及晶粒破壞；

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

6、降溫過(guò)程中通入氬氣可防止降溫過(guò)程中基材表面氧化變色。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的純鈦或鈦合金的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)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(guān)系圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)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(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例一：

如圖1所示，本實(shí)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(shè)有三層氧化硬化層，所述三層的氧化硬化層由外至內(nèi)分別為表面透明氧化層2、外擴(kuò)散層3和內(nèi)擴(kuò)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(hù)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(huì)因光干涉作用產(chǎn)生變色情形；外擴(kuò)散層3中氧濃度最高，外擴(kuò)散層3的厚度影響了最終的硬化結(jié)果；內(nèi)擴(kuò)散層4中氧濃度由外至內(nèi)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(guān)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(wú)變色情形，表面以CIE1976(L*a*b*)之E*ab值來(lái)管理，E*ab≦1.0。

實(shí)施例二：

如圖3所示，本實(shí)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(duì)爐內(nèi)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(tài)下對(duì)所述基材加溫至預(yù)設(shè)溫度，并在加溫的過(guò)程中向爐內(nèi)通入氬氣；

步驟3、硬化：當(dāng)加溫到預(yù)設(shè)溫度后，持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體；

步驟4、除氫：關(guān)閉混合氣體供應(yīng)并持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣，以去除滲入所述基材內(nèi)部的氫氣；

步驟5、降溫：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于300℃后，對(duì)爐內(nèi)通入氮?dú)庵潦覝亍?/p>

上述所述步驟1、抽真空：將清潔后的基材放入爐中，對(duì)爐內(nèi)抽真空的步驟，具體為：

先用粗抽泵將爐內(nèi)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(tài)下對(duì)所述基材加溫至預(yù)設(shè)溫度，并在加溫的過(guò)程中向爐內(nèi)通入氬氣的步驟，具體為：

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

溫度高于710℃時(shí)純鈦與鈦合金表面會(huì)產(chǎn)生明顯的晶粒成長(zhǎng)，使得基材表面粗糙度增加，導(dǎo)致光潔度下降﹔而溫度低于650℃時(shí)氣體在基材中的擴(kuò)散速率太低，硬化處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，650℃～710℃的溫度區(qū)段也是純鈦與鈦合金的再結(jié)晶溫度，有助于消除基材經(jīng)過(guò)鍛造、切削、研磨、拋光等加工程序所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及晶粒破壞。

在加熱過(guò)程中通入氬氣，以防止所述基材表面在升溫過(guò)程中產(chǎn)生明顯的氧化變色。

上述所述步驟3、硬化：當(dāng)加溫到預(yù)設(shè)溫度后，持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體的步驟，具體為：

當(dāng)加溫到650℃～710℃后持溫至少1小時(shí)，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣、氫氣、氧氣的混合氣體，通入混合氣體時(shí)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(chǎn)生劇烈的氧化作用,并且加速氧氣在所述基材中的擴(kuò)散速率。

上述所述步驟4、除氫：關(guān)閉混合氣體供應(yīng)并持溫一定時(shí)間，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣，以去除滲入所述基材內(nèi)部的氫氣的步驟，具體為：

關(guān)閉混合氣體供應(yīng)并持溫至少0.5小時(shí)，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣，通入氬氣時(shí)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(nèi)部的氫氣，防止基材產(chǎn)生脆化的現(xiàn)象。

上述所述步驟5、降溫：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于300℃后，對(duì)爐內(nèi)通入氮?dú)庵潦覝氐牟襟E，具體為：

停止加熱，向爐內(nèi)持續(xù)通入氬氣并使真空度繼續(xù)保持于1～5×10^-1Pa之間，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至純鈦與鈦合金不氧化溫度的300℃后，關(guān)閉抽氣閥門并停止通入氬氣，通入氮?dú)鈱?duì)爐內(nèi)強(qiáng)制冷卻直到室溫。

通入氬氣可防止降溫過(guò)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(jīng)經(jīng)過(guò)拋光處理、發(fā)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(jīng)過(guò)了超聲波清洗。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。