装饰性钛材料及其硬化方法技术

一种其表面上有硬化层的装饰性硬化钛材料，所述硬化表面层包括氮和氧元素，并且，所述表面的晶粒尺寸在０．１－６０μｍ范围内。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种表面和其内部硬化的装饰性钛材料以及这种钛材料的硬化方法。
技术介绍
近年来，钛和钛合金已用于各种领域，利用了这种材料的重量轻和不生锈，以及不生产变应性反应的性质。当这些材料用作手表时，这些特性是特别有效的，在过去，是这一领域的的应用课题。然而，钛和钛合金具有表面易于受损的缺点。因为如镜面抛光以得到有吸引力的外观的这种应用意味着表面受损是肉眼可见的，所以在过去这些材料经砂喷或类似处理以使表面受损不明显。由于这一原因，当用作装饰性材料时，公众对钛和钛合金的印象是表面无光泽。表面易于受损这一现象是由于表面硬度低，对于钛，已开发了各种硬化方法。钛的表面硬化方法主要可以分为两类一类是硬膜覆盖钛材料表面，另一类是硬化钛材料本身。用硬膜覆盖钛材料表面的已知方法包括湿法，如电镀，干法，如真空沉积、离子镀、溅射和等离子CVD。然而，所有这些方法都存在一个问题，就是难以达到紧密结合的程度，都还没有解决膜剥落的问题。硬化钛材料本身的已知方法包括离子注入、离子氮化、气体氮化、气体碳化和气体软氮化(gas soft nitriding)。然而，由于这些方法需要长的处理时间，存在生产效率的问题，而且，这些方法使用高处理温度，晶粒变粗，使表面粗糙，外观装饰的质量存在问题，限制了使用范围。当用于手表、眼镜和装饰配件表面时，需要有吸引力的外观，因此，在过去，在硬化后不可能维持硬化前的表面粗糙度。在上述方法中，由于硬化钛材料的方法本身导致了扩散元素在金属内部的由表及里的浓度梯度，不存在膜剥落问题，这一方法被认为是钛材料表面硬化的有效方法。然而，由于表面粗糙度，仍然存在外观质量退化的问题。在离子氮化技术中，为了降低表面粗糙度，所使用的方法是降低溅射效果。但是，这并不是一种从根本上降低由于氮、碳、或氧扩散进入材料本身引起的表面粗糙度的方法。因此，在如气体氮化、碳化和氧化以硬化钛材料本身的方法中，现有技术不包括降低表面粗糙度的方法，如在处理之前进行预处理以改变材料本身的表面粗糙度，也不能预见关注金属材料本身的晶粒尺寸，或在硬化表面的平面方向生长的晶粒尺寸。外观质量的退化特别地归因于在初始阶段在晶粒边界产生突起而引起的表面粗糙度。在气体氮化以及氧化和氮化中产生的晶粒边界的突起，被认为是由于在晶粒边界应力集中所引起的，应力集中是由于在晶粒边界形成化合物或因氮或氧的固体溶液导致的晶格破坏引起的。如果在晶粒边界的突起可以肉眼观察到，则可以看出表面变糙，这样，不可能将镜面抛光的钛材料用作装饰材料。当这些突起升高时，最大高度Rmax以及平均表面粗糙度Ra也升高，外观质量退化。现已发现，晶粒边界的突起高度应归因于处理前的钛材料中的晶粒尺寸，突起的高度越高大，钛材料硬化后，在平面方向生长的晶粒越大，或者在硬化前晶粒越大。在过去进行的气体氮化中，由于加热到接近相变点(850℃-870℃)的温度，发生晶粒变粗的现象，基于上述考虑，在晶粒边界的突起会进一步扩大。特别是在使用钛或钛合金的装饰性金属材料的情况下，在过去进行的气体氮化时，由于加热到接近相变点(800℃-870℃)的温度，由于在晶粒边界形成化合物或因氮、氧或碳的固体溶液导致晶格破坏—在晶粒边界引起突起，使得晶粒变粗，在晶粒边界产生应力集中。处理前，这些突起的高度越大，钛或钛合金本身的晶粒尺寸越大。当用肉眼观察时，如果可以感觉到表面粗糙度，则不能使用这一材料，特别是不能使用这一材料作为镜面抛光的装饰材料。也就是说，在如气体氮化、碳化、氧化、或氮化的方法中，钛材料本身按过去的方法硬化，还没有解决外观退化的问题，即没有解决硬化处理后的材料表面粗糙度问题。因此，本专利技术的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种硬化的钛材料，即使在硬化后，这种材料的外观也不会退化，并具有最小的表面粗糙度。专利技术描述为了实现上述目的，本专利技术的硬化钛材料和钛材料的硬化方法具有如下技术构成。特别地，本专利技术是一种装饰性钛材料2，在钛材料21上有一硬化层20，该硬化层20在其表面包括氮和氧，这种装饰性钛材料2的表面晶粒24的尺寸(如附图说明图1中26所示的直径)为0.1-60μm，该装饰性钛材料2的表面粗糙度的最大高度Rmax小于1000nm。按照本专利技术，装饰性钛材料的硬化方法包括在惰性气氛中提高钛材料温度的加热步骤；在第一气氛中将钛材料加热到至少700℃的处理温度的第一硬化步骤，其中，所述的第一气氛包括氮气和氧气；在氩气或氦气或类似气体的惰性气氛中将该钛材料加热到至少700℃的处理温度的第二气氛调节步骤；以及，在惰性气氛中冷却钛材料的步骤。另一方面，本专利技术的硬化钛材料的方法包括在装饰性钛材料2的表面形成保护膜10的步骤，该保护膜10具有0.1-60μm的细晶粒尺寸24；在惰性气氛中升温加热该钛材料的步骤；在包括氧气和氮气的气氛——第一气氛——中将该材料加热到至少700℃的第一硬化步骤；在氩气或氦气或类似气体的惰性气氛中将该钛材料加热到至少700℃的处理温度的第二气氛调节步骤；以及，在惰性气氛中冷却钛材料的步骤。再一方面，本专利技术的硬化具有硬化表面层的装饰性钛材料的方法包括在装饰性钛材料表面形成晶粒尺寸为0.1-60μm的保护膜的步骤；在惰性气氛中升温加热该钛材料的步骤；在包括氧气和氮气的气氛——第一气氛——中将材料加热到至少700℃的第一硬化步骤；在氩气或氦气或类似气体的惰性气氛中将该钛材料加热到至少700℃的处理温度的第二气氛调节步骤；以及，在惰性气氛中冷却钛材料的步骤。由通过在本专利技术的装饰性钛材料的硬化方法获得的硬化钛材料中，通过使处理后的晶粒尺寸在0.1-60μm之间，或通过其上形成细微晶粒的保护膜的步骤，有可能消除处理后的外观退化，也就是说，可以获得粗糙度很小的表面。很明显，在本专利技术中，外观退化问题归因于在初始阶段晶粒边界22的突起引起的表面粗糙度。在气体氮化、氧化和氮化或类似处理过程中，在晶粒边界22产生的突起被认为是由晶粒边界的应力集中引起的，而应力集中是由在晶粒边界形成化合物、或由氮或氧的固体溶液引起的晶格破坏所导致的。如果在晶粒边界22的突起是肉眼可见的，可以观察到表面粗糙度，则不可能用作镜面抛光的装饰性材料。当这些突起的高度增加时，表面粗糙度的最大高度Rmax和平均表面粗糙度Ra也增加，外观质量退化。在本专利技术中，发现了晶粒边界的突起高度归因于处理前的钛材料本身中的晶粒尺寸，突起的高度变得越大，钛材料的晶粒越大。在使用钛或钛合金材料作为装饰性金属材料的情况下，在晶粒边界产生突起，因为在晶粒边界形成如氮化钛(TiN)和氧化钛(TiO2)的化合物，或由氮和氧的固体溶液引起晶格破坏，从而导致了晶粒边界的应力集中，所以产生了突起。钛或钛合金在处理前的晶粒尺寸越大，上述突起的高度也就越高。当突起肉眼可见时，则表面粗糙，导致外观退化，使得该材料特别不能作为镜面抛光的装饰性材料使用。此外，在处理后，由于在晶粒边界和晶粒内形成如氮化钛(TiN)的化合物，从宏观水平上可以观察到表面粗糙，表示外观的退化，使得这一材料通常不能作为镜面抛光的装饰性材料使用。使用表面晶粒的尺寸为0.1-60μm的钛材料，在控制温度和时间条件下，在包括氮气和氧气的气氛下进行热处理，利用热处理前的小晶粒尺寸效果和晶粒边界中为固体溶液的氮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤雅浩，渋谷义继，佐藤惇司，
申请(专利权)人：西铁城钟表株式会社，
类型：发明
国别省市：