CN106399916B - 一种钛合金刀具的表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金刀具的表面改性方法，高温下进行氮化，并通过氮源气体输入、升温、保温、降温等工艺，在钛合金刀具表面生成一层TiN膜层；生成的TiN膜层具有高模量、高硬度，刃口锋利，同时，TiN陶瓷膜层耐蚀性良好，耐酸、耐碱性能大幅提高。本发明在氮化后，心部具有良好的韧性，刃口锋利，整体性能优于陶瓷刀具。

Description

一种钛合金刀具的表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金刀具的表面改性方法，使钛合金材料制作成刀具后，有效的提高其刃口锋利程度。

背景技术

现有切削刀具大多采用钢制材料，即便是最好的不锈钢刀具，使用过程中仍有金属离子释放到食物中。以ZrO₂为代表的陶瓷材料弹性模量高，由其制作的刀具刃口非常锋利，但刀具整体脆且不耐冲击。

钛合金材料虽然比强度高，但是弹性模量低，由其制作的刀具刃口不锋利，因此，传统观点认为钛合金材料不适宜制作切削刀具。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金刀具的表面改性方法，由钛合金材料制作的刀具刃磨后进行表面改性，以大幅提高刀具刃口锋利程度。为了保证刀具的韧性，钛合金刀具氮化后刃口的有效硬化层深度需控制在0.15mm以内。

本发明的技术方案是：

1、将钛合金材料加工成刀具，磨出刃口，置于钛合金氮化炉内，抽真空至30Pa以下后，开始升温，所述的钛合金材料为现有纯钛和TA(α相)、TB(β相)、TC(α+β双相)三大类钛合金材料以及TiAl、Ti₃Al、Ti₂AlNb三种钛基金属间化合物；

2、为保证氮化后刀具刃口变形问题，氮化炉的升温速率在0.5～2℃/min，升温至350～500℃时保温1～4h；

3、保温结束后，通入氮源气体，所述的氮源气体包括氨气、氮气、氮气和氩气的混合气或氮气和氢气的混合气中的一种，氮源气体裂解产生的活性氮原子向零件内部扩散、渗入；

氮源气体的混合比见下表所示：

4、继续以0.5～2℃/min的升温速率升温至700～950℃范围内进行保温、氮化，氮化时间为4～8h小时，氮化工艺参数见下表所示：

保温结束后，以30～100℃/h的冷却速度，炉冷至350～500℃；

5、关闭电源，随炉冷至150℃以下打开炉门，取出炉零件；

6、最终检验。

TiN陶瓷材料中存在强共价键，弹性模量高，显微硬度可达HV2000以上，显著高于钛合金，甚至高于Ti-Al系(TiAl和Ti3Al)金属间化合物。钛合金材料通过氮化处理表面改性后，基体保持良好的强韧性，表面部位原位生成的高模量TiN陶瓷膜层，与基体的界面结合力高，这种钛合金表面改性技术可以应用于钛合金切削刀具领域之中。

本发明在高温下进行氮化，并通过氮源气体输入、升温、保温、降温等工艺，在钛合金刀具表面生成一层TiN膜层；生成的TiN膜层具有高模量、高硬度，刃口锋利，同时，TiN陶瓷膜层耐蚀性良好，耐酸、耐碱性能大幅提高。钛合金刀具氮化后，心部具有良好的韧性，刃口锋利，整体性能优于陶瓷刀具。可广泛应用于：普通刀具和剪刀、.医用刀具等医疗器械以及.军、警用刺刀、匕首等。

具体实施方式

一种钛合金刀具的表面改性方法包括以下步骤：

1、将钛合金材料加工成刀具，磨出刃口，置于钛合金氮化炉内，抽真空至30Pa以下后，开始升温，所述的钛合金材料为现有纯钛和TA(α相)、TB(β相)、TC(α+β双相)三大类钛合金材料以及TiAl、Ti₃Al、Ti₂AlNb三种钛基金属间化合物；

2、为保证氮化后刀具刃口变形问题，氮化炉的升温速率在0.5～2℃/min，升温至350～500℃时保温1～4h；

3、保温结束后，通入氮源气体，所述的氮源气体包括氨气、氮气、氮气和氩气的混合气或氮气和氢气的混合气中的一种，氮源气体裂解产生的活性氮原子向零件内部扩散、渗入；

氮源气体的混合比见下表所示：

4、继续以0.5～2℃/min的升温速率升温至700～950℃范围内进行保温、氮化，氮化时间为4～8h小时，氮化工艺参数见下表所示：

保温结束后，以30～100℃/h的冷却速度，炉冷至350～500℃；

5、关闭电源，随炉冷至150℃以下打开炉门，取出炉零件；

6、最终检验。

实施例

TA7材料，要求其加工后的剪刀进行表面改性，改性后的剪刀表面显微硬度达到HV900以上，有效硬化层厚度在0.07mm以上。其具体的实施步骤如下：

1.将钛合金材料加工成剪刀，磨出刃口，置于钛合金氮化炉的阴极上，抽真空至10Pa后，进行升温；

2.由室温开始加热，离子氮化炉以1℃/min的速率进行升温，升温至400℃，并保温2小时；

3.保温结束后，向离子氮化炉内通入氨气；

4.继续以1℃/min的升温速率升温至830℃，在830℃温度下保温6小时，氮化工艺参数见下表所示：

保温结束后，以70℃/h的冷却速度，炉冷至400℃；

5、关闭电源，随炉冷至120℃以下打开炉门，取出炉零件；

6、最终检验。

检验结果：氮化后，钛合金剪刀刃口处生成一层致密的TiN膜层，随炉同批次材质的平板试片在100g载荷作用下，表面显微硬度可以达到HV950，有效硬化层厚度在0.08mm，结论：符合要求。

Claims (1)

1.一种钛合金刀具的表面改性方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

1)将钛合金材料加工成刀具，磨出刃口，置于钛合金氮化炉内，抽真空至30Pa以下后，开始升温，所述的钛合金材料为现有纯钛和TA(α相)、TB(β相)、TC(α+β双相)三大类钛合金材料以及TiAl、Ti₃Al、Ti₂AlNb三种钛基金属间化合物；

2)为保证氮化后刀具刃口变形问题，氮化炉的升温速率在0.5～2℃/min，升温至350～500℃时保温1～4h；

3)保温结束后，通入氮源气体，所述的氮源气体包括氨气、氮气、氮气和氩气的混合气或氮气和氢气的混合气中的一种，氮源气体裂解产生的活性氮原子向零件内部扩散、渗入；

氮源气体的混合比见下表所示：

4)继续以0.5～2℃/min的升温速率升温至700～950℃范围内进行保温、氮化，氮化时间为4～8h小时，氮化工艺参数见下表所示：

保温结束后，以30～100℃/h的冷却速度，炉冷至350～500℃；

5)关闭电源，随炉冷至150℃以下打开炉门，取出炉零件；

6)最终检验。