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金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌方法技术

技术编号:15083744 阅读:114 留言:0更新日期:2017-04-07 14:24
一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及渗铌方法,其特征在于所述的渗铌剂由无水硼砂(Na2B4O7)、氧化铌(Nb2O5)、碳化硅(SiC)和Fe粉组成,将各组分,混合均匀后置于100℃~120℃烘箱中,经40min~60min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。所述的渗铌方法包括钛合金表面处理、渗铌剂加温和盐浴保温渗铌。本发明专利技术具有渗速快、渗层厚、工件表面质量好、操作工艺简单、经济性能优良,可用于工业生产,在生物医用等领域具有很广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化学热处理领域,尤其是一种渗铌剂及其渗铌工艺,具体是一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌工艺。
技术介绍
钛以及钛合金作为生物医用材料,以其较低的弹性模量、良好的生物相容性、抗腐蚀性和工艺性等优点而被广泛的应用于硬组织替换、心脏瓣膜、血管支架、齿根以及各种矫形器械等。但虽然其弹性模量相对于其他生物医用材料较低,却仍然远高于人骨的弹性模量,但其硬度低、摩擦系数大、表面抗磨损能力较差,抗腐蚀性能也需进一步提高。由于Ti-Nb合金具有超低弹性模量、耐腐蚀和生物相容性好等优点,且铌的渗入已被证实可增强纯钛及钛合金的硬度和耐磨性能,因此渗铌处理是提高金属钛表面耐磨性能、抗腐蚀性能,降低其弹性模量的有效手段之一。目前广泛应用于制备渗铌层的三种表面技术分别是:离子注入技术、磁控溅射镀膜技术、双层辉光等离子渗金属技术。这些技术虽然在设备工艺、涂层结合性能等方面有着很大的优势,但普遍存在成本高、灵活性差等局限性,很大程度上限制了其向工程实践转化。而且,离子注入技术形成的改性层过薄,磁控溅射镀膜技术、双层辉光等离子渗金属技术需要在真空保护条件下完成,这样设备复杂,给操作带来不便。盐浴渗铌技术具有渗层质量高、性能好,设备简单,操作方便,成本低廉等特点,是一种极具发展前途的表面强化技术。大量研究表明Fe粉不仅是一种很好的还原剂,而且还是一种很好的催渗剂,使渗速加快,从而增加渗层厚度,改善渗层质量。据申请人所知,尚未有人采用Fe粉催渗的盐浴渗铌技术在金属钛表面获得渗铌层。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的钛合金表面渗铌技术存在的成本高、灵活性差、设备、环境要求高等问题,专利技术了一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌方法,它不仅能够在提高渗速的同时获得表面质量优异的渗铌层,而且具有较好的可操作性和优良的经济性。本专利技术的技术方案之一是:一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂,其特征在于它由无水硼砂(Na2B4O7)、氧化铌(Nb2O5)、碳化硅(SiC)和Fe粉组成,其中Na2B4O7的质量百分比为78%~88%;Nb2O5的质量百分比为8%~12%;SiC的质量百分比为2%~6%;Fe粉的质量百分比为2%~4%,各组份的质量百分比为100%,碳化硅为绿色纯洁的、粒度为150~200目,氧化铌的纯度为99.5%;将所述质量百分比的各组分,混合均匀后置于100℃~120℃烘箱中,经40min~60min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。本专利技术的技术方案之二是:一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂的渗铌方法,其特征在于它包括以下步骤:(1)金属钛表面预处理:将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨和机械抛光,将表面抛至粗糙度为不超过Ra0.5μm,然后丙酮超声波清洗至少20min;(2)渗铌处理:将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中,加热至850℃,使硼砂全部融化;然后将炉温升至900~1050℃,保温1~2h,同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀;(3)将工件放入配备好的渗铌盐浴内,并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直,保温4~10h取出空冷,即在金属钛表面制得渗铌层。(4)清洗工件:将工件放人沸水中煮泡,直至清除粘结的硼砂。所述的砂纸打磨是指分别用120#、280#、400#、800#、1000#依次打磨。本专利技术的有益效果是:(1)本专利技术提供了一种操作简单、成本低廉、工艺性能优良的金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌工艺。(2)本专利技术不需真空保护,在空气条件下就可对金属钛进行渗铌处理。(3)本专利技术提高了渗铌的速率,增加了渗层的厚度,制得高硬度、高韧性的渗铌层,与基体间有明显且呈梯度的元素扩散,其界面结合好。(4)在相同的渗铌工艺参数下,与未添加Fe粉的渗铌层相比,添加Fe粉的渗铌层厚度大幅增加,增幅为837%;外表层硬度稍有提高,增幅为8.3%。(5)本专利技术不仅适用于各种型号钛合金,还适用于纯钛材的表面处理。本专利技术的渗铌剂加入了2%~4%Fe粉作为催渗剂,同时确定了渗铌剂的制备方法和渗铌工艺,渗铌的关键工艺参数为渗铌温度900℃~1050℃、渗铌保温时间4h~10h。通过以上渗铌剂及渗铌工艺,在钛金属表面成功制备的渗铌层渗层厚度为15μm,与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了837%;渗铌层与基体结合紧密,未有裂纹和孔洞出现;含Nb达33%(At%);与基体间有明显且呈梯度的元素扩散,其界面结合好;渗铌层外表层显微硬度为1021.8HV,较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高,约为8.3%。本专利技术渗速快、渗层厚、工件表面质量好、操作工艺简单、经济性能优良,可用于工业生产,在生物医用等领域具有很广阔的应用前景。附图说明图1是实施例1钛合金在950℃保温4h后渗铌层扫描电子显微镜图。图2是实施例2钛合金在950℃保温4h后渗铌层扫描电子显微镜图。图3是实施例1钛合金在950℃保温4h后渗铌层的元素扩散图。图4是实施例1、实施例2钛合金表面渗铌层的硬度分布对比图。具体实施方式:下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。实施例1。一种金属钛表面渗铌方法,它包括盐浴渗铌剂制备-金属钛表面预处理-渗铌处理-清洗工件。(1)盐浴渗铌剂制备,取无水硼砂(Na2B4O7)840克、氧化铌(Nb2O5)100克(纯度为99.5%)、绿色纯洁的、粒度为150~200目的碳化硅(SiC)40克和Fe粉20克(纯度为99.99%),混合均匀后置于120℃烘箱中,经40min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。(2)将TC4钛合金棒材线切割成10mm×12mm×3mm的型材备用;将金属钛表面经除油、去离子水清洗后进行表面砂纸打磨(砂纸依次选用120#、280#、400#、800#、1000#)和机械抛光,将表面抛至粗糙度为Ra0.5μm,然后丙酮超声波清洗20min;(3)渗铌处理:将装有渗铌剂的坩埚放入电阻炉中,加热至850℃,使硼砂全部融化;然后将炉温升至950℃,保温1.5h,同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀;(4)将超声波清洗后的钛合金工件放入上步配备好的渗铌盐浴内,并使工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直,保温4h取出空冷,即在金属钛表面制得渗铌层。(3)清洗工件:将工件放人沸水中煮,直至清除粘结的硼砂。取出样品后进行检测。经扫描电子显微镜检测添加Fe粉的渗铌层厚度为15μm(图1),与未添加Fe粉渗铌层厚度相比增加了837%;渗铌层与基体结合紧密,未有裂纹和孔洞出现;含Nb达33%(At%);与基体间有明显且呈梯度的元素扩散(图3),其界面结合好;渗铌层外表层显微硬度为1021.8HV,较之未添加Fe粉渗铌层相比稍有提高,约为8.3%(图4)。以下为对比实施例:实施例2。方法与实施例1基本相同,不同之处在于所采用的渗铌剂未添加Fe粉催化剂,其中SiC的质量百分比为6%。取出样品后检测。经金相显微镜检测可得渗层厚度为1.6μm(图2),渗铌层外表层显微硬度为943.4HV。实施例三。一种金属钛表面渗铌方法,它包括盐浴渗铌剂制备-金属钛表面预处理-渗铌处理-清洗工件。(1)盐浴渗铌剂制备,取无水硼砂(Na2B4O7)780克、氧化铌(Nb2O5)120克(纯度为99.5%)、绿色纯洁的、粒度为150~本文档来自技高网...
金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂及其渗铌方法

【技术保护点】
一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂,其特征在于它由无水硼砂(Na2B4O7)、氧化铌(Nb2O5)、碳化硅(SiC)和Fe粉组成,其中Na2B4O7的质量百分比为78%~88%;Nb2O5的质量百分比为8%~12%;SiC的质量百分比为2%~6%;Fe粉的质量百分比为2%~4%,各组份的质量百分比为100%,碳化硅为绿色纯洁的、粒度为150~200目,氧化铌的纯度为99.5%;将所述质量百分比的各组分,混合均匀后置于100℃~120℃烘箱中,经40min~60min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。

【技术特征摘要】
1.一种金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂,其特征在于它由无水硼砂(Na2B4O7)、氧化铌(Nb2O5)、碳化硅(SiC)和Fe粉组成,其中Na2B4O7的质量百分比为78%~88%;Nb2O5的质量百分比为8%~12%;SiC的质量百分比为2%~6%;Fe粉的质量百分比为2%~4%,各组份的质量百分比为100%,碳化硅为绿色纯洁的、粒度为150~200目,氧化铌的纯度为99.5%;将所述质量百分比的各组分,混合均匀后置于100℃~120℃烘箱中,经40min~60min烘干即得到所需的盐浴渗铌剂备用。2.一种权利要求1所述的金属钛表面Fe粉催渗的盐浴渗铌剂的渗铌方法,其特征在于它包括以下步骤:(1)金属钛表面...

【专利技术属性】
技术研发人员:许晓静朱金鑫韩天宋振华何星华
申请(专利权)人:江苏大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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