低温钛硬化制造技术

本发明专利技术涉及一种对第IV族金属进行氧硬化的方法，该方法包括以下步骤：提供呈其最终形状的第IV族金属的工件；使用具有高达800℃的温度上限的气态氧化物质在第一温度下在氧化气氛中在至少10分钟的氧化持续时间内将该第IV族金属氧化以在该工件的表面上提供非分层第IV族金属氧化物，其中该第一温度在500℃和该气态氧化物质的该温度上限的范围内；在惰性气氛中，在500℃至800℃范围内的第二温度下和在高达10

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低温钛硬化


[0001]本专利技术涉及钛和其他第IV族金属的低温硬化。具体地，提供了一种对第IV族金属进行氧硬化的方法以及一种硬化的第IV族金属部件。该方法和该部件对任何可以使用硬金属的应用都是有用的。本专利技术的部件在金属的美观性是重要的情况下尤其有用，例如用于手表、珠宝和眼镜。
现有技术
[0002]众所周知，钛和其他第IV族金属可以通过间隙氧进行硬化，并且氧含量与硬度之间有直接关系，氧含量越高，金属越硬。进一步众所周知，钛的氧硬化应在尽可能低的温度下进行，以避免材料的晶粒生长和一般变形。
[0003]因此，JPH 08134625披露了使钛或钛合金板材成形并对其进行表面硬化的方法。该方法采用含有CO2气体的成形气体，并且通过进行气体压力成形，可以将钛薄板成形为预定形状，并且同时形成硬化层。该方法在700℃与1100℃之间进行，不过优选低于β转化点的温度。高于1100℃发生过度氧化。
[0004]JPH 059703披露了钛材料的表面硬化处理方法。钛材料在含有CO2气体的气氛中进行热处理，CO2气体被还原并分解为氧和碳，因此钛材料的表面以这些作为间隙元素通过固溶强化进行硬化。使用700℃或更高的温度并且优选在10小时之内的固化时间。
[0005]JPH 08104970披露了钛材料的表面硬化处理，目的是容易地形成厚的表面硬化层而不使表面粗糙化。通过在由CO2气体和惰性气体或氮气组成的气氛中并且然后在惰性气体或真空中加热到预定的加热温度，对钛表面进行硬化。具体地，发现在CO2气体的特定分压下通过加热，氧和碳原子渗透到钛材料的表面，并且在惰性气体或真空中热处理使氧和碳扩散到内部，从而形成具有小的表面粗糙度的厚的硬化层。在实例中，将纯钛在800℃下在CO2和氩的混合气体中加热3小时，然后在真空中在850℃下进行3小时的扩散热处理。
[0006]JPH 1192911的目的是在不造成表面粗糙度，但在距表面1μm的深度处形成至少750的维氏硬度而不在表面上形成有色物质的温度下固化钛构件。在这个过程中，将构件加热到700℃至800℃并在含有氮成分和氧成分的减压气氛中进行处理。一氧化氮、二氧化氮或一氧化二氮、或氨气可以用作含氮成分，并且水或氧可以用作含氧成分。例如，可以将钛构件在0.3托的一氧化二氮下在700℃
‑
800℃下处理1至10小时。
[0007]US 6,221,173披露了具有硬表面层的钛或钛合金，该硬表面层包括第一硬层和第二硬层，该第一硬层含有0.6至8.0wt％范围内的固溶体中的氮和1.0至14.0wt％范围内的固溶体中的氧，该第二硬层在该第一硬层下面、含有0.5至14.0wt％范围内的固溶体中的氧。硬表面层可以通过在1.33至1330Pa的总压力下在具有微量的氧、水、二氧化碳或一氧化碳的氮气氛中在650℃至830℃下对合金进行处理来提供。处理时间的长度是从1至10小时。从而，氮和氧扩散到钛或钛合金的内部，而不形成钛的氮化物和氧化物。
[0008]US 2003/041922披露了强化钛合金以提高耐磨性的方法。该方法包括在600℃至900℃下在CO2气氛中加热钛合金以使C和O原子扩散到钛合金中，而不形成氧化钛。优选的
温度范围是800℃至850℃，并且特别地在高于900℃的温度下，形成氧化钛。反应时间可以是0.5至50小时。
[0009]WO 97/14820披露了在大气压下在氮气、甲醇和任选地天然气或丙烷的混合物中在1450
°
F与1850
°
F之间的温度下对钛零件进行处理的方法。从而，在合金表面上形成了主要由钛氧化物与氧氮化物以及有时一些碳氮化物区域组成的涂层。然后可以将零件在1200
°
F至1450
°
F下在真空炉中进行处理，以降低零件中的氢水平从而提高屈服强度。
[0010]WO 2008/154593和WO 2007/078427披露了锆的医疗植入物，其具有扩散硬化区以及任选地还有具有包括层状结构的陶瓷区，以及制造表面硬化的医疗植入物的方法。例如，将锆铌合金样品在635℃下在空气中氧化，然后在真空炉中处理。
[0011]WO 2017/207794披露了钛合金的表面硬化部件，其具有包含固溶体中的氧和碳的扩散区并具有碳氧化合物的明显的相。
[0012]EP 0931848披露了装饰性硬化钛材料、加工钛材料的方法、以及加工装饰性钛材料的方法。硬化表面层包括氮和氧并且具有在从0.1至60μm范围内的表面晶粒尺寸。
[0013]WO 99/04055披露了对由钛、锆或钛和/或锆的合金形成的制品进行表面硬化的方法。该方法涉及在氧化气氛中对制品进行热处理以形成氧化物层，然后在真空中对制品进行热处理以使氧化物层中的氧扩散到制品中。
[0014]鉴于现有技术披露的方法，仍然需要一种改进的对钛或其他第IV族金属及其合金进行硬化的方法。

技术实现思路

[0015]在第一方面，本专利技术涉及一种对第IV族金属进行氧硬化的方法，该方法包括以下步骤：
[0016]‑
提供呈其最终形状的第IV族金属的工件；
[0017]‑
使用选自CO2、N2O以及CO2和N2O的组合的气态氧化物质在第一温度下在氧化气氛中在至少10分钟的氧化持续时间内将该第IV族金属氧化以在该工件的表面上提供非分层第IV族金属氧化物，该气态氧化物质具有高达800℃的温度上限，其中该第一温度在500℃和该气态氧化物质的该温度上限的范围内；
[0018]‑
在惰性气氛中，在500℃至800℃范围内的第二温度下和在高达10
‑4毫巴的该气态氧化物质的分压下，在至少0.1小时的扩散持续时间内，使该非分层第IV族金属氧化物中的氧扩散到该第IV族金属中，以提供包含固溶体中的氧的表层扩散区。
[0019]在第二方面，本专利技术涉及一种第IV族金属部件，其包括材料芯，该材料芯具有芯硬度和至少为该芯硬度+200HV
0.025
的表面硬度，扩散区，该扩散区在距表面10μm至100μm范围内的厚度内具有提供该材料芯的硬度的120％硬度的水平至该第IV族金属的饱和水平的范围内的固溶体中的氧，该扩散区进一步含有固溶体中的碳和/或氮，其浓度显示该扩散区中碳含量和/或氮含量的局部最大值，如通过辉光放电光发射光谱法(GDOES)可检测。
[0020]第二方面的第IV族金属部件在第一方面的方法中可获得。特别地，当氧化气氛包括含碳分子或含氮分子，或含碳分子和含氮分子二者时，可获得第二方面的第IV族金属部件。
[0021]任何第IV族金属都适用于本专利技术的两个方面。在具体实施方案中，第IV族金属选
自钛、钛合金、锆和锆合金的清单。在本专利技术的上下文中，该部件可由第IV族金属(例如钛合金)组成，或者它可以包含其他材料。例如，该部件可具有另一种材料、聚合物、玻璃、陶瓷或另一种金属的芯以及钛合金或锆的外层。同样，在本专利技术的方法中处理的工件也可具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种对第IV族金属进行氧硬化的方法，该方法包括以下步骤：
‑
提供呈其最终形状的第IV族金属的工件；
‑
使用选自CO2、N2O以及CO2和N2O的组合的气态氧化物质在第一温度下在氧化气氛中在至少10分钟的氧化持续时间内将该第IV族金属氧化以在该工件的表面上提供非分层第IV族金属氧化物，该气态氧化物质具有高达800℃的温度上限，其中该第一温度在500℃和该气态氧化物质的该温度上限的范围内；
‑
在惰性气氛中，在500℃至800℃范围内的第二温度下和在高达10
‑4毫巴的该气态氧化物质的分压下，在至少0.1小时的扩散持续时间内，使该非分层第IV族金属氧化物中的氧扩散到该第IV族金属中，以提供包含固溶体中的氧的表层扩散区。2.根据权利要求1所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该气态氧化物质是CO2，该温度上限是800℃，并且该氧化持续时间在1小时至16小时范围内。3.根据权利要求1所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该气态氧化物质是N2O，该温度上限是700℃，并且该氧化持续时间在10分钟至2小时范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该氧化气氛中的压力是环境压力。5.根据权利要求1至4中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该第一温度在600℃至700℃范围内。6.根据权利要求1至5中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该惰性气氛中的总压力高达10
‑4毫巴。7.根据权利要求1至6中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该惰性气氛是稀有气体。8.根据权利要求1至7中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该第二温度在650℃至750℃范围内。9.根据权利要求8所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该扩散持续时间在2小时至40小时范围内。10.根据权利要求1至4或6至9中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该第IV族金属包含铝作为合金化元素，并且该第一温度在500℃至700℃范围内。11.根据权利要求1至9中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该氧化气氛进一步包含CO。12.根据权利要求1至11中任一项所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中将该第IV族金属的工件在氧化该第IV族金属之前抛光，以提供根据ISO 1302:2002标准<0.1μm的表面粗糙度。12.根据权利要求1所述的对第IV族金属进行氧硬化的方法，其中该气态氧化物质是CO2，该第一温度在60...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：丹麦技术大学，
类型：发明
国别省市：