CN110257756B - 一种表面碳化钛金属制品的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛金属制品表面碳化处理的制备方法，属于钛金属制品表面强化领域。该方法无氢参与，分两步实施：第一步先将丙酮清洗后的纯钛金属制品在680~830℃的马弗炉中进行表面氧化处理；第二步在1500℃石墨真空炉中，抽真空状态下，直接进行表面渗碳反应处理。经渗碳反应后，钛金属制品表面的氧化层转变为碳化层，即得到碳化钛薄膜，该碳化钛薄膜可使钛金属制品获得优异的理化性能。该方法的优点在于无氢参与，操作简单，可以直接在钛工件表面生成TiC薄膜，通过第一步控制钛工件表面氧化的温度和时间，制得不同厚度的TiO2氧化层，进而控制渗碳的深度，以最终获得不同厚度的TiC薄膜。

Description

一种表面碳化钛金属制品的制备方法
技术领域
本发明涉及纯钛金属制品表面强化领域，具体涉及一种表面碳化钛金属制品的制备方法。
背景技术
钛及钛合金因具有高比强度、优异耐蚀性能、良好生物相容性、耐热和无磁等性能，广泛应用于航空、航天、海洋、生物医学，以及生活日用等领域。但钛金属在不同的应用领域常表现出一定的不足。耐磨性能差是钛金属最大的缺点。钛及钛合金的硬度低，导热系数低，极易发生粘着磨损。为提高钛金属的耐磨性能，常采用表面强化技术对其表面进行改性和涂层防护。
钛及钛合金表面处理技术主要包括电镀、阳极氧化、微弧氧化、离子注入、氮化、电子束和激光表面改性、热喷涂、渗碳和物理气相沉积（PVD）等。其中，渗碳工艺又可以分为等离子辉光渗碳、电火花放电渗碳和气体渗碳等。目前常用的渗碳工艺通常有氢元素参与，渗碳的同时氢元素渗入到钛及钛合金基体中，易造成“氢脆”问题，进而影响渗碳质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面碳化钛金属制品的制备方法，使其能解决钛金属制品不耐磨，硬度低等问题，同时避免渗碳过程有氢参与时易“氢脆”问题。
本发明为完成上述目的采用如下技术方案：
一种表面碳化钛金属制品的制备方法，制备方法分两步实施：第一步于常压下在马弗炉中进行表面氧化处理；第二步在真空状态下于石墨真空炉中进行渗碳处理；通过控制第一步的氧化层厚度来最终控制渗碳的深度即碳化钛膜层厚度；具体方法为：将纯钛金属制品置于纯度为99.5%的丙酮溶液中，以超声波清洗30分钟，晾干；随后将该制品置入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至目标温度680～830℃，在目标温度下保温2～3小时进行表面氧化处理，然后半开炉门散热冷却至室温；此步骤可在钛制品表面制得具有一定厚度的TiO2薄层；氧化反应式如下：
Ti(s)+O2(g)=TiO2(s)
将表面具有TiO2薄层的钛制品置入石墨真空炉中，关紧炉门，并将石墨炉抽真空至压力为零，充入高纯氮气稀释残余氧气，再次抽真空至压力为零，接着再次充入高纯氮气，然后再次抽真空……如此重复操作两次以上，以达到炉内无氧气残余的理想真空状态；
保持真空状态即炉内压力为0Pa，并以10℃/min的升温速率升温至1500℃，在1500℃下保温3小时进行渗碳反应，保温结束后以300℃/h的降温速率退火至室温；最后获得表面碳化层即表面形成TiC薄膜的钛金属制品。
所述高纯氮气的纯度为99.999%；所述的石墨真空炉工作电压为400V，其加热元件和炉室内壁皆为石墨材料；碳化反应式如下：
TiO2(s)+3C(s)=TiC（s）+2CO(g)。
所制得碳化层的TiC薄膜的颗粒呈立方体结构，柱体粒径约1～4微米，膜层厚度约30～100微米。
本发明的目的在于提供一种表面碳化钛金属制品的制备方法，是一种无氢参与的钛金属制品表面碳化方法，采用上述技术方案，解决了钛金属制品不耐磨，硬度低的问题，同时避免了渗碳过程有氢参与时易“氢脆”问题的出现。
附图说明
图1、图2为样品碳化层的断面SEM图。
图3、图4为样品碳化后的表面SEM图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的：丙酮溶液纯度为99.5%；高纯氮气纯度为99.999%；石墨真空炉的加热元件和炉室内壁皆为石墨材料，其工作电压为400V；扫描电镜为肖特基场发射扫描电镜。
实施例1：将纯钛金属制品置于丙酮溶液中，以超声波清洗30分钟，晾干。随后将该制品置入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至目标温度680℃，在目标温度下保温3小时进行表面氧化处理，结束运行程序，然后半开炉门散热冷却至室温。此步骤可在钛制品表面制得具有一定厚度的TiO2薄层。
将前述钛制品试样置入石墨真空炉中，关紧炉门，并将石墨炉抽真空至压力为零，充入高纯氮气稀释残余氧，再次抽真空至压力为零，接着再次充入高纯氮气，然后再次抽真空……如此重复操作两次以上，以达到炉内无氧残余的理想真空状态。
保持真空状态（炉内压力为0Pa），并以10℃/min的升温速率升温至1500℃，在1500℃下保温3小时进行渗碳反应，保温结束后以300℃/h的降温速率退火至室温。最后获得表面碳化（TiC薄膜）的钛金属制品。
以扫描电镜检测制得的样品的断面和表面形貌；如图1、图2所示。
实施例2：将纯钛金属制品置于丙酮溶液中，以超声波清洗30分钟，晾干。随后将该制品置入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至目标温度750℃，在目标温度下保温2.5小时进行表面氧化处理，结束运行程序，然后半开炉门散热冷却至室温。此步骤可在钛制品表面制得具有一定厚度的TiO2薄层。
将前述钛制品试样置入石墨真空炉中，关紧炉门，并将石墨炉抽真空至压力为零，充入高纯氮气稀释残余氧，再次抽真空至压力为零，接着再次充入高纯氮气，然后再次抽真空……如此重复操作两次以上，以达到炉内无氧残余的理想真空状态。
保持真空状态（炉内压力为0Pa），并以10℃/min的升温速率升温至1500℃，在1500℃下保温3小时进行渗碳反应，保温结束后以300℃/h的降温速率退火至室温。最后获得表面碳化（TiC薄膜）的钛金属制品。
以扫描电镜检测制得的样品的断面和表面形貌。
实施例3：将纯钛金属制品置于丙酮溶液中，以超声波清洗30分钟，晾干。随后将该制品置入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至目标温度830℃，在目标温度下保温2小时进行表面氧化处理，结束运行程序，然后半开炉门散热冷却至室温。此步骤可在钛制品表面制得具有一定厚度的TiO2薄层。
将前述钛制品试样置入石墨真空炉中，关紧炉门，并将石墨炉抽真空至压力为零，充入高纯氮气稀释残余氧，再次抽真空至压力为零，接着再次充入高纯氮气，然后再次抽真空……如此重复操作两次以上，以达到炉内无氧残余的理想真空状态。
保持真空状态（炉内压力为0Pa），并以10℃/min的升温速率升温至1500℃，在1500℃下保温3小时进行渗碳反应，保温结束后以300℃/h的降温速率退火至室温。最后获得表面碳化（TiC薄膜）的钛金属制品。
以扫描电镜检测制得的样品的断面和表面形貌。

Claims (2)

1.一种表面碳化钛金属制品的制备方法，其特征在于：制备方法分两步实施：第一步于常压下在马弗炉中进行表面氧化处理；第二步在真空状态下于石墨真空炉中进行渗碳处理；通过控制第一步的氧化层厚度来最终控制渗碳的深度即碳化钛膜层厚度；具体方法为：将纯钛金属制品置于纯度为99.5%的丙酮溶液中，以超声波清洗30分钟，晾干；随后将该制品置入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至目标温度680～830℃，在目标温度下保温2～3小时进行表面氧化处理，然后半开炉门散热冷却至室温；此步骤在钛制品表面制得具有一定厚度的TiO2薄层；氧化反应式如下：
Ti(s)+O2(g)=TiO2(s)
将表面具有TiO2薄层的钛制品置入石墨真空炉中，关紧炉门，并将石墨炉抽真空，充入高纯氮气稀释残余氧气，再次抽真空，接着再次充入高纯氮气，然后再次抽真空……如此重复操作两次以上；所述高纯氮气的纯度为99.999%；所述的石墨真空炉工作电压为400V，其加热元件和炉室内壁皆为石墨材料；碳化反应式如下：
TiO2(s)+3C(s)=TiC（s）+2CO(g)；
保持真空状态，并以10℃/min的升温速率升温至1500℃，在1500℃下保温3小时进行反应，保温结束后以300℃/h的降温速率退火至室温；最后获得表面碳化层即表面形成TiC薄膜的钛金属制品。
2.如权利要求1所述的一种表面碳化钛金属制品的制备方法，其特征在于：所制得碳化层的TiC薄膜的颗粒呈立方体结构，柱体粒径1～4微米，膜层厚度30～100微米。
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