TWI403616B - 利用流體床滲碳改質鈦金屬或鈦合金表面之方法 - Google Patents

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Description

利用流體床滲碳改質鈦金屬或鈦合金表面之方法
本發明係關於一種改質鈦金屬或鈦合金表面之方法，尤指一種利用流體床滲碳改質鈦金屬或鈦合金表面之方法。
由於鈦金屬及鈦合金的化學性質穩定、高溫特性及耐腐蝕性佳，且強度重量比高，過去十年來商用鈦合金已廣為軍事及航太工業界採用。近來，鈦合金之應用更拓展到休閒工業及生物醫藥方面，所製出之產品包含運動器材、高級轎跑車、外科植入物...等。隨著表面處理技術的演進及提升，鈦合金近表面層的耐磨耗特性及抗鹵素離子化性大幅地受到改善。
對於商用純鈦(commercial purity titanium,CP－Ti)及Ti－6Al－4V合金(Ti－64)的表面改質，曾有學者將適用於鐵系合金之熔融鹽浴滲碳(molten salt carburization,MSC)製程(TW 225,559、US 5,405,456)，應用於其表面改質，使得經過熔融鹽浴滲碳製程處理的試片，能達到表面改質並獲得硬化效果。然而，熔融鹽浴滲碳製程處理對於Ti－6Al－4V合金的表面硬度及硬化深度提升有限。
因此，現今若能發展出較熔融鹽浴滲碳製程處理更為改善商用純太及Ti－6Al－4V合金的製程或方法，可提升鈦合金的表面硬度而能有更廣泛的應用。
本發明係提供一種利用流體床滲碳(fluidized bed carburization,FBC)改質鈦金屬或鈦合金表面之方法，透過將鈦金屬或鈦合金經過流體床滲碳製程處理，使鈦金屬或鈦合金表面形成有鑽石、石墨及金紅石的混合膜層，來增加鈦金屬及鈦合金表面硬度，使其比熔融鹽浴滲碳製程處理後具有更佳之表面硬度。此方法包括以下步驟：提供一流體床爐，該流體床爐包含炭粉及碳酸鹽粉末，且該炭粉及該碳酸鹽粉末之重量比係10~8：0.5~2；放置一鈦金屬或一鈦合金於溫度為900~1200℃之流體床爐中以進行反應，且反應時間係高於3分鐘；以及取出並冷卻該鈦金屬或該鈦合金。
上述方法中，流體床爐內更可包含氧化鋁粉末。此氧化鋁粉末均勻混合於炭粉及碳酸鹽粉末中，由於氧化鋁粉末細緻可使流體床內溫度均勻分布，因此應用於流體床爐內使滲碳過程更為均勻。
上述方法中，碳酸鹽粉末可為任何能因熱分解產生一氧化碳之碳酸鹽粉末，較佳可選自於由碳酸鎂粉末、碳酸鈣粉末、碳酸鋇粉末、碳酸鋇粉末及其混合所組群組。使用碳酸鹽粉末之主要目的，在於加熱過程中能提分解出一氧化碳，致使此一氧化碳流體能均勻的圍繞於鈦金屬或鈦合金周圍，而達到滲碳之效果。更佳而言，可使用碳酸鋇粉末作為流體床爐的碳酸鹽粉末。
另一方面，炭粉可選用任何能提供碳源之粉末，只要其純度佳而無其他影響滲碳製程之不純物質皆可使用。舉例而言，因相思木炭粉內碳純度佳，所以可使用其作為炭粉。而所使用之炭粉的尺寸大小較佳介於6至12目之間，更加係介於8至10目之間，若炭粉的尺寸大小過大，則會使反應不均。此外，炭粉及碳酸鹽粉末之重量比較佳為9：1。
上述方法中，流體床爐內可填充一惰性氣體作為載氣，使得流體床爐內具有穩定循環氣流，利於滲碳反應發生。一般而言，此惰性氣體之循環流量較佳可為2~4 l/min。若此惰性氣體的循環流量過小，則會致使滲碳反應不均；然若循環流量過大，則會稀釋所產生之一氧化碳量，使滲碳反應下降。較佳而言，此惰性氣體的循環流量可為3 l/min。
另外，流體床爐內之滲碳劑的溫度會影響滲碳反應。若溫度過高可能會造成金屬試片熔融，而溫度過低則會造成滲碳反應不佳，因此溫度較佳介於900至1200℃兩者之間，更佳係介於930至1000℃之間。同樣，反應時間亦會影響滲碳作用，所以反應時間需要高於3分鐘。較佳而言，預定時間介於5至30分鐘之間，即可達到改質鈦金屬及鈦合金的表面硬度效果。
綜上所述，本發明利用流體床滲碳製程，改質鈦金屬或鈦合金表面硬度的方法，能夠在鈦金屬或鈦合金近表層中，產生化學劑量比不足之缺碳碳化鈦(carbon deficient titanium carbide,TiC1－x )，並在鈦金屬或鈦合金外表面形成有鑽石、石墨及金紅石的混合膜層，因此可以增加鈦金屬或鈦合金表面硬度，同時提升鈦金屬或鈦合金表面層耐磨耗特性及抗鹵素離子特性，達到製備出具有更佳表面硬度之鈦金屬或鈦合金。
 實施例1~8
首先，提供一原材，其為經壓延－退火狀態之片狀商用純鈦(CP－Ti)或Ti－6Al－4V合金(Ti－64)，其成分分析如下表1所示。(未標示單位者以重量百分比表示)
將上述原材材切為40×14×1 mm之尺寸大小，以1000號砂紙磨光洗淨，以防止原材試片表面氧化膜對滲碳影響，其表面粗糙度則利用粗度儀(Talysurf 6 system(Rank Taylor－Hobson))測量，其結果如下表2所示。
準備一流體床爐，其中已經含有適量之氧化鋁粉末，以期於進行滲碳期間，使流體床爐內溫度均勻使滲碳效果均勻穩定。將上述磨光洗淨之原材置入流體床爐中，於流體床爐中放入預備好的滲碳劑，此滲碳劑中包含相思木炭粉、碳酸鋇，其中相思木炭粉及碳酸鋇之重量比為9：1，並以氮氣背壓，以移除相思木炭粉及碳酸鋇內含之水份，有利於後續流體化。此時，流體床爐中以惰性氣體如氬氣作為載氣，將流速控制於3 l/min。全數過程利用氣相層析儀監控流體床爐內之氣體狀態，並依製程參數處理，待製程終了時將試片迅速移出並淬水至室溫。各實施例之製程參數如下表3所示。
比較例1
同上述實施例1所用之商用純鈦，但未經過流體床製程處理。
比較例2
同上述實施例1所用之Ti－6Al－4V合金，但未經過流體床製程處理。
比較例與實施例之檢測
將經處理及未處理之試片表面形貌及微結構變化，分別利用掃描式電子顯微術(scanning electron microscopy,SEM)觀察分析。另一方面，則採用微硬度測試計(Akashi,MVK－H100)，量測經處理及未處理之試片表面之維氏微硬度(VHN)。
圖1(a)及(b)分別顯示未經過流體床製程處理的比較例1商用純鈦及比較例2Ti－6Al－4V合金，兩者之表面形貌的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(c)、(d)、(e)及(f)依序分別顯示經過流體床滲碳製程處理後，實施例1、2、3及4的商用純鈦試片，其表面形成有鑽石、石墨及金紅石的混合膜層的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(g)、(h)、(i)及(j)依序分別顯示經過流體床滲碳製程處理後，實施例5、6、7及8的Ti－6Al－4V合金試片，其表面形成有鑽石、石墨及金紅石的混合膜層的掃描式電子顯微鏡照片。
由上述圖1(c)至(f)可知，商用純鈦經過溫度930℃或1000℃的流體床滲碳製程處理5或30分鐘後，皆具有良好的表面均勻度。
同樣，由上述圖1(g)至(j)可知，Ti－6Al－4V合金經過溫度930℃或1000℃的流體床滲碳製程處理5或30分鐘後，亦具有良好的表面均勻度。
另一方面，使用微硬度測試計量測之結果如下表4所示。
將實施例1至4與比較例1相較後，可發現經過經過溫度930℃或1000℃的流體床滲碳製程處理5或30分鐘後，商用純鈦最佳的硬度可高達1270 VHN，亦即提升了1013 VHN的硬度值。另一方面，將實施例5至8與比較例2相較後，可發現經過溫度930℃或1000℃的流體床滲碳製程處理5或30分鐘後，Ti－6Al－4V合金最佳的硬度可高達1283 VHN，亦即提升了931 VHN的硬度值。
綜上所述，利用流體床滲碳製程，可明確的改善鈦金屬或鈦合金之表面硬度。並且，利用流體床滲碳製程處理之效果，遠高於習知使用熔融鹽浴滲碳製程處理的效果。因此本發明利用流體床滲碳製程之方法，較習知熔融鹽浴滲碳製程，所需的反應時間較短，且更能提升鈦金屬或鈦合金之表面硬度。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
圖1(a)係本發明比較例1中，未經流體床製程處理之商用純鈦表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(b)係本發明比較例2中，未經流體床製程處理之Ti－6Al－4V合金表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(c)係本發明實施例1中，經流體床製程處理之商用純鈦表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(d)係本發明實施例2中，經流體床製程處理之商用純鈦表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(e)係本發明實施例3中，經流體床製程處理之商用純鈦表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(f)係本發明實施例4中，經流體床製程處理之商用純鈦表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(g)係本發明實施例5中，經流體床製程處理之Ti－6A1－4V合金表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(h)係本發明實施例6中，經流體床製程處理之Ti－6A1－4V合金表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(i)係本發明實施例7中，經流體床製程處理之Ti－6A1－4V合金表面的掃描式電子顯微鏡照片。
圖1(j)係本發明實施例8中，經流體床製程處理之Ti－6A1－4V合金表面的掃描式電子顯微鏡照片。

Claims (12)

  1. 一種利用流體床滲碳改質鈦金屬或鈦合金表面之方法，其包括以下步驟：提供一流體床爐，該流體床爐包含炭粉及碳酸鹽粉末，且該炭粉及該碳酸鹽粉末之重量比係10~8：0.5~2；放置一鈦金屬或一鈦合金於溫度為900~1200℃之流體床爐中以進行反應，且反應時間係5至30分鐘，使鈦金屬或鈦合金表面形成有鑽石、石墨及金紅石的混合膜層；以及取出並冷卻該鈦金屬或該鈦合金至室溫。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該流體床爐中更包含氧化鋁粉末，且該氧化鋁粉末均勻混合於該炭粉及該碳酸鹽粉末之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該碳酸鹽粉末係選自於由碳酸鎂粉末、碳酸鈣粉末、碳酸鍶粉末、碳酸鋇粉末及其混合所組群組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該碳酸鹽粉末係為碳酸鋇粉末。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該炭粉為相思木炭粉。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該炭粉之尺寸係介於6至12目之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該炭粉之尺寸係介於8至10目之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該流體床爐內以一惰性氣體作為載氣，該惰性氣體之循環流量為2~4 l/min。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該惰性氣體之循環流量為3 l/min。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該滲碳劑之溫度係介於930至1000℃之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該反應時間係介於5至30分鐘之間。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該炭粉及該碳酸鹽粉末之重量比係9：1。
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