[发明专利]装饰性钛材料及其硬化方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种表面和其内部硬化的装饰性钛材料以及这种钛材料的硬化方法。

发明背景

近年来，钛和钛合金已用于各种领域，利用了这种材料的重量轻和不生锈，以及不生产变应性反应的性质。

当这些材料用作手表时，这些特性是特别有效的，在过去，是这一领域的的应用课题。

然而，钛和钛合金具有表面易于受损的缺点。因为如镜面抛光以得到有吸引力的外观的这种应用意味着表面受损是肉眼可见的，所以在过去这些材料经砂喷或类似处理以使表面受损不明显。

由于这一原因，当用作装饰性材料时，公众对钛和钛合金的印象是表面无光泽。

表面易于受损这一现象是由于表面硬度低，对于钛，已开发了各种硬化方法。

钛的表面硬化方法主要可以分为两类：一类是硬膜覆盖钛材料表面，另一类是硬化钛材料本身。

用硬膜覆盖钛材料表面的已知方法包括湿法，如电镀，干法，如真空沉积、离子镀、溅射和等离子CVD。然而，所有这些方法都存在一个问题，就是难以达到紧密结合的程度，都还没有解决膜剥落的问题。

硬化钛材料本身的已知方法包括离子注入、离子氮化、气体氮化、气体碳化和气体软氮化(gas soft nitriding)。然而，由于这些方法需要长的处理时间，存在生产效率的问题，而且，这些方法使用高处理温度，晶粒变粗，使表面粗糙，外观装饰的质量存在问题，限制了使用范围。

当用于手表、眼镜和装饰配件表面时，需要有吸引力的外观，因此，在过去，在硬化后不可能维持硬化前的表面粗糙度。

在上述方法中，由于硬化钛材料的方法本身导致了扩散元素在金属内部的由表及里的浓度梯度，不存在膜剥落问题，这一方法被认为是钛材料表面硬化的有效方法。

然而，由于表面粗糙度，仍然存在外观质量退化的问题。

在离子氮化技术中，为了降低表面粗糙度，所使用的方法是降低溅射效果。但是，这并不是一种从根本上降低由于氮、碳、或氧扩散进入材料本身引起的表面粗糙度的方法。

因此，在如气体氮化、碳化和氧化以硬化钛材料本身的方法中，现有技术不包括降低表面粗糙度的方法，如在处理之前进行预处理以改变材料本身的表面粗糙度，也不能预见关注金属材料本身的晶粒尺寸，或在硬化表面的平面方向生长的晶粒尺寸。

外观质量的退化特别地归因于在初始阶段在晶粒边界产生突起而引起的表面粗糙度。

在气体氮化以及氧化和氮化中产生的晶粒边界的突起，被认为是由于在晶粒边界应力集中所引起的，应力集中是由于在晶粒边界形成化合物或因氮或氧的固体溶液导致的晶格破坏引起的。

如果在晶粒边界的突起可以肉眼观察到，则可以看出表面变糙，这样，不可能将镜面抛光的钛材料用作装饰材料。

当这些突起升高时，最大高度Rmax以及平均表面粗糙度Ra也升高，外观质量退化。

现已发现，晶粒边界的突起高度应归因于处理前的钛材料中的晶粒尺寸，突起的高度越高大，钛材料硬化后，在平面方向生长的晶粒越大，或者在硬化前晶粒越大。

在过去进行的气体氮化中，由于加热到接近相变点(850℃-870℃)的温度，发生晶粒变粗的现象，基于上述考虑，在晶粒边界的突起会进一步扩大。

特别是在使用钛或钛合金的装饰性金属材料的情况下，在过去进行的气体氮化时，由于加热到接近相变点(800℃-870℃)的温度，由于在晶粒边界形成化合物或因氮、氧或碳的固体溶液导致晶格破坏—在晶粒边界引起突起，使得晶粒变粗，在晶粒边界产生应力集中。

处理前，这些突起的高度越大，钛或钛合金本身的晶粒尺寸越大。当用肉眼观察时，如果可以感觉到表面粗糙度，则不能使用这一材料，特别是不能使用这一材料作为镜面抛光的装饰材料。

也就是说，在如气体氮化、碳化、氧化、或氮化的方法中，钛材料本身按过去的方法硬化，还没有解决外观退化的问题，即没有解决硬化处理后的材料表面粗糙度问题。

因此，本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种硬化的钛材料，即使在硬化后，这种材料的外观也不会退化，并具有最小的表面粗糙度。

                     发明描述

为了实现上述目的，本发明的硬化钛材料和钛材料的硬化方法具有如下技术构成。