CN106367715A - 金属钛表面盐浴渗钒剂及渗钒方法 - Google Patents

Abstract

一种金属钛表面盐浴渗钒剂及其渗钒工艺。盐浴渗钒剂由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化钒（V₂O₅）、碳化硼（B₄C）、氯化钡（BaCl₂）、氯化钠（NaCl）、氟化钠（NaF）组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为72%；V₂O₅的质量百分比为10%；B4C的质量百分比为4%；BaCl₂质量百分比为4%；NaCl质量百分比为1%；NaF质量百分比为9%。通过添加氧化硼（B₂O₃）或氧化镧（La₂O₃），在950℃保温4h盐浴渗钒实验后，金属钛可获得8μm渗层厚度和2200HV～2600HV的表层显微硬度。本发明操作工艺简单、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。

Description

金属钛表面盐浴渗钒剂及渗钒方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料及热处理技术，尤其是一种钛合金改性技术，具体地说是一种金属钛表面盐浴渗钒剂及渗钒方法。

背景技术

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，且其硬度低、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。渗钒处理可以显著提高金属表面耐磨性能、抗腐蚀性能。

目前广泛应用于制备渗钒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。

盐浴渗钒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。据申请人所知，尚未有人采用盐浴渗钒技术在金属钛表面获得渗钒层。

发明内容

本发明的目的是针对现有的渗钒技术操作复杂、成本高且渗层薄、硬度低的问题，发明一种金属钛表面盐浴渗钒剂，同时提供相应的渗钒工艺。它不仅能够获得性能优异的渗钒层，而且具有操作简单、易实现、对设备要求低等特点，具有优良的经济性。

本发明的技术方案之一是：

一种金属钛表面盐浴渗钒剂，其特征是它主要由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化钒（V₂O₅）、碳化硼（B₄C）、氯化钡（BaCl₂）、氯化钠（NaCl）、氟化钠（NaF）和氧化硼（B₂O₃）组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为69.9%；V₂O₅的质量百分比为9.7%；B4C的质量百分比为3.88%；BaCl₂质量百分比为3.88%；NaCl质量百分比为0.97%；NaF质量百分比为8.67%；B₂O₃质量百分比为3%；所述的氧化硼（B₂O₃）能够能将渗层的厚度增加到8微米，能使渗层表层的硬度比基体硬度提高6-8倍。

本发明的技术方案之二是：

一种金属钛表面盐浴渗钒剂，其特征是它主要由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化钒（V₂O₅）、碳化硼（B₄C）、氯化钡（BaCl₂）、氯化钠（NaCl）、氟化钠（NaF）和氧化镧（La₂O₃）组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为69.9%；V₂O₅的质量百分比为9.7%；B4C的质量百分比为3.88%；BaCl₂质量百分比为3.88%；NaCl质量百分比为0.97%；NaF质量百分比为8.67%；La₂O₃质量百分比为3%；所述的氧化镧（La₂O₃）能够显著提高渗层的性质和渗层厚度。

本发明的技术方案之三是：

一种在钛金属表面进行渗钒的方法，其特征是它包括以下步骤：

（1）按质量百分比称取各组分，混合均匀后置于100℃～120℃烘箱40min～60min烘干备用；

（2）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Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗至少20min；

（3）渗钒处理：将装有盐浴渗钒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1～2h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；将金属钛工件放入配备好的盐浴渗钒剂内，并使金属钛工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温4h后取出空冷，即在金属钛工件表面制得渗钒层；

（4）清洗金属钛工件：将渗钒后的金属钛工件放人沸水中煮，直至清除粘结的硼砂即可。

本发明的有益效果是：

（1）本发明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盐浴渗钒剂。

（2）本发明不需真空保护，在空气条件下就可对金属钛进行渗钒处理。

（3）采用该法制备的渗钒层厚度为8μm左右，渗钒层表层硬度为2200～2600HV，约为基体硬度（约330HV）的6～8倍。

（4）本发明不仅适用于各种型号钛合金，还适用于纯钛材的表面处理。

附图说明

图1是实施例一 钛合金在含B₂O₃盐浴剂950℃保温4h后渗钒层的扫描电子显微镜图。

图2是实施例二 钛合金在含La₂O₃盐浴剂950℃保温4h后渗钒层的扫描电子显微镜图。

图3是对比例一 钛合金在950℃保温4h后渗钒层扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

将由699克无水硼砂（Na₂B₄O₇）、97克氧化钒（V₂O₅）、38.8克碳化硼（B₄C）、38.8克氯化钡（BaCl₂）、9.7克氯化钠（NaCl）、86克氟化钠（NaF）和30克氧化硼（B₂O₃）混合均匀后置于120℃烘箱40min烘干制成盐浴渗钒剂备用。

将TC4钛合金棒材线切割成10mm×10mm×3mm的型材备用得到钛合金块。

渗钒工艺为：金属钛表面预处理－渗钒处理－清洗工件

（1）金属钛表面预处理：将钛合金块表面经除油、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Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗20min；

（2）渗钒处理：将盐浴渗钒剂装入坩埚中，再连同坩埚一并放入电阻炉中，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；将预处理好的钛合金块放入配备好的渗钒盐浴内，并使钛合金块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，即在钛合金块表面制得渗钒层。

（3）清洗工件：将钛合金块放人沸水中煮，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渗钒层厚度可达8µm左右（图1）。渗钒层与基体结合紧密，未有裂纹和孔洞出现。在100gf压力下渗钒层表层显微硬度为2202.7HV。

实施例二。

方法与实施例一基本相同，不同之处在于把氧化硼（B₂O₃）换为氧化镧（La₂O₃）。

取出样品后检测。经扫描电子显微镜检测可得渗层厚度为8μm左右（图2）；在50gf压力下渗钒层表层硬度为2562.6HV。

对比例一。

方法与实施例一基本相同，不同之处在于渗钒配方去除了氧化硼（B₂O₃）。取出样品后检测，渗钒层厚度很薄（图3），在50gf压力下表面显微硬度为683HV。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种金属钛表面盐浴渗钒剂，其特征是它主要由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化钒（V₂O₅）、碳化硼（B₄C）、氯化钡（BaCl₂）、氯化钠（NaCl）、氟化钠（NaF）和氧化硼（B₂O₃）组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为69.9%；V₂O₅的质量百分比为9.7%；B4C的质量百分比为3.88%；BaCl₂质量百分比为3.88%；NaCl质量百分比为0.97%；NaF质量百分比为8.67%；B₂O₃质量百分比为3%；所述的氧化硼（B₂O₃）能够能将渗层的厚度增加到8微米，能使渗层表层的硬度比基体硬度提高6-8倍。

2.一种金属钛表面盐浴渗钒剂，其特征是它主要由无水硼砂（Na₂B₄O₇）、氧化钒（V₂O₅）、碳化硼（B₄C）、氯化钡（BaCl₂）、氯化钠（NaCl）、氟化钠（NaF）和氧化镧（La₂O₃）组成，其中Na₂B₄O₇的质量百分比为69.9%；V₂O₅的质量百分比为9.7%；B4C的质量百分比为3.88%；BaCl₂质量百分比为3.88%；NaCl质量百分比为0.97%；NaF质量百分比为8.67%； La₂O₃质量百分比为3%；所述的氧化镧（La₂O₃）能够显著提高渗层的性质和渗层厚度。

3.一种利用权利要求1或2所述的渗钒剂在钛金属表面进行渗钒的方法，其特征是它包括以下步骤：

（1）按质量百分比称取各组分，混合均匀后置于100℃～120℃烘箱40min～60min烘干备用；

（2）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Ra0.5μm，然后丙酮超声波清洗至少20min；

（3）渗钒处理：将装有盐浴渗钒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1～2h，同时每隔半小时用金属棒搅拌均匀；将金属钛工件放入配备好的盐浴渗钒剂内，并使金属钛工件的主要工作面尽量保持与盐浴流动方向垂直，保温4h后取出空冷，即在金属钛工件表面制得渗钒层；

（4）清洗金属钛工件：将渗钒后的金属钛工件放人沸水中煮，直至清除粘结的硼砂即可。