一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法技术

本发明专利技术涉及金属钛渗氮技术领域，尤其涉及一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法。本发明专利技术的强化方法包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。采用本发明专利技术的方法可以提高渗氮速率和渗层厚度，使纯钛表面得到足够的强化，提高纯钛的耐磨性和接触疲劳性能，还能提高基体的塑韧性，起到内外双重强化的作用；与此同时还能调节氮原子浓度梯度，降低表面杨氏模量。模量。模量。

【技术实现步骤摘要】
一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法


[0001]本专利技术涉及金属钛渗氮
，尤其涉及一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法。

技术介绍

[0002]TA1、TA2、TA3等工业纯钛的钛元素含量不低于99％，以其比强度高、耐腐蚀性优良、生物相容性好等特点获得广泛应用。作为一种优良的生物相容性金属，钛对生物体完全无毒害作用，因此在生物医学领域上有重要作用，常用于人造骨骼、义齿等。
[0003]TA1等工业纯钛的缺点为固有的摩擦学性能差，此缺点限制了其应用范围，因此纯钛往往需要进行表面强化才能更好地应用。气体渗氮和离子渗氮等渗氮工艺被广泛采用来强化纯钛表面，提高其抗磨损性能。
[0004]目前针对纯钛零件的渗氮主要集中在650～900℃的高温区间，而在此区间的高温氮化会导致基体内的晶粒长大，降低塑韧性和耐疲劳性能。
[0005]而600℃以下低温渗氮研究表明，在此温度区间氮元素渗入纯钛的速率非常缓慢，氮原子在纯钛中很难进行长程扩散，在渗氮完成后，氮原子集中分布于表层，渗层比较薄，材料表面性能提高十分有限；而且渗氮完成后，氮原子浓度梯度大，表面杨氏模量较高，对纯钛与生物材料的结合不利。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，采用本专利技术的强化方法可以提高渗氮速率和渗层厚度，使纯钛表面得到足够的强化，提高纯钛的耐磨性和接触疲劳性能，还能提高基体的塑韧性，起到内外双重强化的作用；与此同时还能调节由表及里的氮原子浓度梯度，降低杨氏模量。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。
[0009]优选的，所述低温渗氮的保温时间为4～30h。
[0010]优选的，所述低温渗氮为离子渗氮。
[0011]优选的，所述低温渗氮在氮气和氢气的混合气氛下进行。
[0012]优选的，所述低温扩散的保温时间为4～30h。
[0013]优选的，所述纯钛工件中钛元素的质量含量不低于99％。
[0014]本专利技术提供了一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。本专利技术控制冷加工成型的变形量，利用冷加工成型在纯钛金属内部形成横向织构或近似横向织构、
大量的位错等内部缺陷以及再结晶小晶界，从而在低温渗氮时可大大增加氮原子渗入和向内扩散的速率以及扩散的距离，使低温渗氮成为可能；之后在低温渗氮过程中，变形的纯钛基体同时进行再结晶作用，因为过程温度低，避免了再结晶晶粒长大，形成了再结晶等轴细晶，增强了基体的塑韧性；低温渗氮后氮原子集中分布于表层，浓度梯度大，杨氏模量较高，此时进行低温扩散处理，使主要积聚于表层的氮原子向工件基体内部扩散进一步增加渗层厚度，同时调节氮原子浓度梯度，降低表面杨氏模量。
[0015]与常规高温渗氮工艺相比，本专利技术在渗氮和扩散过程中，因温度相对较低，不会引起内部晶粒长大而造成性能下降。本专利技术的氮原子扩散距离很长，渗层厚度大，最终可得到4mm以上的超厚渗层，超厚渗层能有效提高接触疲劳性能。在薄壁工件中，氮原子可以达到基体的内部，可进一步强化基体。本专利技术的渗氮和扩散工艺可在一台设备上顺序完成，成本低，易于控制；将本专利技术生产的材料用于生物植入体，因只有Ti和N两种元素，无对人体有害的元素。比起有各种添加元素，有时植入需要做隔离处理的钛合金，有很大优势，且表面杨氏模量较低，与人体骨骼的杨氏模量接近，可以预见在生物医学工程上有广阔的应用前景。
附图说明
[0016]图1为在实施例1工艺下，采用不同变形量对TA2工业纯钛依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散处理后零件表面的XRD分析图谱；
[0017]图2为不同变形量冷加工成型、渗氮和扩散处理后的表面硬度分布图；
[0018]图3为实施例1进行冷加工成型后零件内部形成的近似横向织构极图；
[0019]图4为实施例2和对比例2处理后的晶粒尺寸统计图；
[0020]图5为实施例2在低温氮化复合低温扩散强化工艺后渗层的显微硬度梯度图。
具体实施方式
[0021]本专利技术提供了一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。
[0022]本专利技术将纯钛工件进行冷加工成型。
[0023]在本专利技术中，所述纯钛工件中钛元素的质量含量不低于99％，具体的可以但不局限于TA1、TA2、TA3纯钛工件。
[0024]在本专利技术中，所述冷加工成型的变形量为10～80％，优选为20～70％，进一步优选为30～60％，更优选为40～50％。本专利技术将冷加工成型的变形量控制在上述范围，在纯钛金属内部形成横向织构或近似横向织构(α相基面位向集中在TD方向，柱面位向集中在RD方向)、大量的位错等内部缺陷以及再结晶晶界，从而在低温渗氮时可大大增加氮原子渗入和向内扩散的速率以及扩散的距离，使低温渗氮成为可能。
[0025]在本专利技术中，对小于10％变形量工件而言，本专利技术优选在对其进行冷加工成型前进行预变形，确保其总变形量在10～80％区间范围内。
[0026]本专利技术对所述冷加工成型的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的冷加工成型过程即可。
[0027]完成所述冷加工成型后，本专利技术对冷加工成型后的工件进行低温渗氮。
[0028]在本专利技术中，所述低温渗氮的温度为400～580℃，优选为430～540℃，更优选为450～500℃。在本专利技术中，所述低温渗氮的保温时间优选为4～30h，进一步优选为6～25h，更优选为10～20h。
[0029]在本专利技术中，所述低温渗氮优选为离子渗氮；所述低温渗氮优选在氮气和氢气的混合气氛下进行。在本专利技术的实施例中，所述混合气氛中氮气的流量为278mL/min，氢气的流量为200mL/min。
[0030]本专利技术在所述低温渗氮过程中，氮原子渗入到基体内部，由于前期冷变形带来的大量内部缺陷和晶界，使得氮原子扩散速率和扩散距离均得到提高，形成较厚的渗层，能有效提高纯钛工件的接触疲劳性能和耐磨性能。如果工件渗层太薄，在重载荷条件下，往往造成渗层过渡区抵抗疲劳破坏，虽然表面硬度很高，接触疲劳强度却很低。
[0031]此外，在低温渗氮过程中，同时还会发生纯钛基体的再结晶，因为过程温度低，避免了再结晶晶粒长大，形成了再结晶等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对纯钛工件的低温氮化复合低温扩散的强化方法，包括以下步骤：将纯钛工件依次进行冷加工成型、低温渗氮和低温扩散；所述冷加工成型的变形量为10～80％；所述低温渗氮的温度为400～580℃；所述低温扩散的温度为350～580℃。2.根据权利要求1所述的强化方法，其特征在于，所述低温渗氮的保温时间为4～30h。3.根据权利要求1或2所述的强化方法，其特征在于，所述低温...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅宇东，朱小硕，刘国潭，孙焕政，卢熙群，闫牧夫，刘冠杞，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：