CN102643959A - 一种在介质中电脉冲处理提高钢表面硬度的方法 - Google Patents

Abstract

一种在介质中电脉冲处理提高钢表面硬度的方法，属于钢表面处理技术领域。将含有奥氏体的不锈钢置于电解质水溶液中作为工作电极，在电解质水溶液中加入一辅助电极，将工作电极和辅助电极分别连接到一输出电位和正负极都可进行调节的电源上，电源输出正、负极交替变化的电脉冲，使不锈钢和辅助电极分别交替成为阳极和阴极，从而使钢的表面发生马氏体相变，提高钢的表面硬度；上述电解质水溶液为Na₂SiO₃、Na₂CO₃或NaOH的水溶液。本发明仅在表面获得马氏体从而使硬度提高，不改变工件内部的组织结构，不会导致工件整体经马氏体相变硬化后的塑性和韧性降低。

Description

一种在介质中电脉冲处理提高钢表面硬度的方法

技术领域

本发明涉及一种在介质水溶液中通过对钢进行电脉冲处理诱发马氏体相变，从而提高钢的表面硬度的方法，属于钢表面处理技术领域。

背景技术

马氏体相变是提高钢的强度、硬度的广泛应用的方法之一。但对于某些钢，特别是高合金钢，由于大量合金元素的加入增大了马氏体相变的阻力，使马氏体相变开始温度M_s降低，甚至远低于室温。这些钢奥氏体化后即使快速冷却到室温也不能得到马氏体组织，因此难于通过马氏体相变提高强度和硬度。对这类钢，可通过深冷处理，即冷却到某一低于M_s的低温获得马氏体强化效果。但某些钢的马氏体相变终了温度M_f远低于室温，甚至低于干冰或液氮的温度，对其进行冷处理后仍会有大量奥氏体残留，使马氏体强化效果的发挥受到限制。低温处理还会导致钢的内应力增大，使工件易于发生变形和开裂等不良效果。另外，深冷处理还会增高热处理的成本。

对某些M_s虽低于室温，但接近室温的钢，已有形变诱发马氏体转变的处理方法，即通过在M_s温度以上的特定温度对钢进行塑性变形，通过提供机械驱动力使钢的马氏体相变开始温度提高到M_d，因而在室温下也能获得马氏体强化效果。但这种方法改变了钢的形状，不能在工件机械加工成型后应用。

实际上，通过增大钢的表面马氏体量提高钢的表面硬度在工业上具有特殊意义。因为摩擦、磨损都是在工件表面发生，提高表面硬度因此成为提高工件耐磨损寿命的有效方法。而且，仅在表面形成马氏体，内部不生成马氏体，可以在提高耐磨性的同时不发生整体的塑性、韧性降低。工业上已经广泛采用的表面马氏体相变的方法有火焰加热表面淬火、高频表面淬火等。火焰加热表面淬火一般是手工操作，一般只适合单件小批量的生产。手工操作还存在不易控制、重现性差、对操作者的技术要求较高等缺陷。高频表面淬火需要复杂昂贵的设备。而且这两种方法表面均经过高温加热，在获得马氏体提高表面硬度的同时易引起表面与内部之间的残余内应力。

对某些M_s虽低于室温，但接近室温的钢，也可以通过阴极充氢的方法获得表面马氏体。即将钢置于特定的水溶液中作为阴极，施加适当的阴极电压使水电解出氢原子并从钢的表面向内部扩散，从而诱发表面马氏体相变。这种方法虽然能获得表面马氏体，但只有在溶液中加入剧毒的As₂O₃才能获得较好的相变效果，带来严重的环境污染。而且由于钢表面存在大量的氢，还可能引起氢脆。

基于此，对钢表面马氏体相变处理方法的改进具有工业价值。

发明内容

本发明提出了一种钢的表面处理方法，通过如下技术方案提高钢的表面硬度而不改变其内部的相结构和性能。

一种在介质中电脉冲处理提高钢表面硬度的方法，其特征在于，包括以下步骤：将含有奥氏体的不锈钢置于特定电解质水溶液中作为工作电极，在特定电解质水溶液中加入一辅助电极，将工作电极和辅助电极分别连接到一输出电位和正负极都可进行调节的电源上，电源输出正、负极交替变化的电脉冲，使不锈钢和辅助电极分别交替成为阳极和阴极，从而使钢的表面发生马氏体相变，提高钢的表面硬度。

上述电解质水溶液为Na₂SiO₃、Na₂CO₃或NaOH的水溶液；其中Na₂SiO₃的浓度为0.05M-饱和，优选0.1M-1M；Na₂CO₃的浓度为0.1M-饱和，优选0.5M-饱和；NaOH的浓度为0.01-5M，优选0.01M-1M，更优选0.1M-1M。

上述所用电源的阴极电压优选低于介质中的析氢电位，更优选析氢电位以下0.2V-2.0V；由于一般情况下在阳极或多或少会发生腐蚀，为了使腐蚀更少，更明显地体现由于马氏相变使硬度增加，本发明阳极电压随介质和电脉冲阳极部分的处理时间改变，需通过试验调整到处理后表面不发生明显腐蚀，优选自腐蚀电位以上0.3-1.0V。

辅助电极辅助电极为惰性电极，如铂、石墨、铜、银等。

含有奥氏体的不锈钢为钢的原始组织状态，可以是奥氏体，也可以是奥氏体和马氏体的混合。电源输出的电脉冲频率低于1Hz，脉冲的一个周期内的阳极部分和阴极部分的时间可以相等或不相等，电脉冲处理温度在20-100°C，电脉冲处理的温度优选50-90°C。电脉冲处理到一定时间后，马氏体相变量不再明显增多，一般处理时间为2-48h，优选4-12h。

本发明具有以下有益技术效果：本发明提供的钢表面处理方法表面不经过高温加热，因此处理后表面与内部不会形成较大的内应力。本发明提供的处理方法虽然采用某些介质，但不需要剧毒介质，杜绝了阴极充氢获得马氏体的表面强化方法对环境的严重污染。本发明提高钢表面硬度的处理方法是一种表面相变，仅在表面获得马氏体，从而使硬度提高，不改变工件内部的组织结构，因此不会导致工件整体经马氏体相变硬化后的塑性和韧性降低。

附图说明

图1为本发明实施例采用的电脉冲处理装置示意图；

图2为本发明实施例1电脉冲处理前后试样的X射线衍射图谱；

图3为本发明实施例1电脉冲处理前后试样表面硬度测试结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

以下实施例仅是对本发明的举例说明，并不作为对本发明的限制。

实施例1

用D/max 2500型X射线衍射仪对封装好的试样进行X射线衍射测试分析试样的相组成，测试条件为：Cu靶Kα辐射，管电压40KV，管电流200mA，扫描方式为连续描，扫描速度为5°/min，步长为0.01°，2θ扫描范围为30°-100°。用HXZ-1000型显微硬度计测量试样表面的硬度，测试载荷500g，保载时间12s，每个样品测量5个位置取5次的平均值为硬度值。

在80±1°C在所用的电脉冲处理介质中测试所处理的钢的自腐蚀电位。所用仪器为Autolab型电化学工作站，用动电位扫描法。扫描范围为-200mV（相对于开路电位）到发生过钝化现象，对于不能发生钝化现象的体系到+0.4V(相对于饱和甘汞电极)，扫描速率为100mV/min。对本实施例，测得的自腐蚀电位为-0.111V(相对于饱和甘汞电极)。

将厚度为1.4mm的17-7PH型不锈钢（化学成分为：≤0.09-wt%C,≤1.0-wt%Si,16-18wt%Cr,6.5-7.75-wt%Ni,≤1.0-wt%Mn,0.75-1.5wt%Al,≤0.030wt%S,≤0.035-wt%P,Fe余量）制成10×10×1.4(mm)的试样，在一面钎焊包皮铜导线，用环氧树脂将焊点和五个表面密封，仅露出10×10(mm)的不锈钢工作面积。

取分析纯Na₂SiO₃用去离子水配制成1M的水溶液置于四口烧瓶中，将带有盐桥的饱和甘汞电极作为参比电极插于中间口，左右两口分别插入环氧树脂封装好的17-7PH型不锈钢试样作为工作电极和铂丝作为辅助电极。不锈钢工作表面正对盐桥端部，距离2mm左右，四口烧瓶的另一口接冷凝管，使处理过程中蒸发的水分回流，以保持处理过程中不因水分蒸发使溶液浓度发生剧烈变化。将三个电极分别接在CS300UA型电化学工作站上。处理装置如图1所示。将整个装置置于水浴中控制处理温度。

打开CS300UA型电化学工作站进行阴、阳极交变的电脉冲处理，处理条件为：处理温度80°C±1°C，电脉冲阴极电位为-1.40V（相对于饱和甘汞电极），阳极电位+0.20V（相对于饱和甘汞电极），每个周期阴极时间为280s，阳极时间为20s，总处理时间5h。

将处理过的试样从处理装置中取出，用水冲洗干净并晾干，用前述方法对表面进行X射线衍射和硬度测试。处理前后试样的X射线衍射谱如图2所示。图2表明处理前后都有奥氏体和马氏体的多个特征衍射峰存在，说明处理前后都是奥氏体和马氏体的混合组织。但是处理前后奥氏体和马氏体的特征峰的相对衍射强度有明显变化。以最强衍射峰奥氏体的A(220)晶面的衍射强度为100，处理前马氏体的M{110}晶面的衍射强度为25.9，而处理后马氏体的M{110}晶面的衍射强度为89.1，即处理后马氏体M{110}晶面的衍射峰相对强度提高到处理前的3.4倍，说明处理后马氏体明显增多，奥氏体明显减少，通过处理使奥氏体转变成为马氏体。处理前后的试样表面显微硬度如图3所示，可见表面硬度从处理前的Hv401提高到Hv482。结合X射线衍射测试结果可知，表面硬度提高的原因是高硬度的马氏体相增多的结果。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备试样并进行电脉冲处理前后的硬度和马氏体含量的检测。用与实施例1相同的方法进行电脉冲处理，不同之处在于处理介质为0.01M的NaOH溶液和0.5M的NaOH溶液。采用与实施例1相同的方法测得在0.01M的NaOH溶液和0.5M的NaOH溶液中所采用的不锈钢的自腐蚀电位分别为-0.394V和-0.328V（相对于饱和甘汞电极）。对浓度分别为0.01M、0.5M的两种NaOH溶液，确定电脉冲处理阴极电位为-1.40V，阳极电位为+0.10V。

当NaOH水溶液浓度为0.01M时，X射线衍射分析表明处理前后奥氏体和马氏体的特征峰的相对衍射强度有变化。以最强衍射峰奥氏体的A(220)晶面的衍射强度为100，处理前马氏体的M{110}晶面的衍射强度为32.6，而处理后马氏体的M{110}晶面的衍射强度为35.3，即处理后马氏体M{110}晶面的衍射峰相对强度提高到处理前的1.08倍，说明处理后马氏体增多，奥氏体减少，通过处理使奥氏体转变成为马氏体。硬度测试表明处理前的表面硬度为Hv397，处理后的表面硬度为Hv398。

当NaOH水溶液浓度为0.5M时，X射线衍射分析表明处理前后奥氏体和马氏体的特征峰的相对衍射强度有变化。以最强衍射峰奥氏体的A(220)晶面的衍射强度为100，处理前马氏体的M{110}晶面的衍射强度为28.1，而处理后马氏体的M{110}晶面的衍射强度为37.9，即处理后马氏体M{110}晶面的衍射峰相对强度提高到处理前的1.35倍，说明处理后马氏体明显增多，奥氏体明显减少，通过处理使奥氏体转变成为马氏体。硬度测试表明处理前的表面硬度为Hv394，处理后的表面硬度为Hv417，表面硬度明显提高。

NaOH浓度为0.01M时处理前后表面硬度几乎未发生变化，说明该浓度下较少的马氏体相变量不足以引起硬度的明显变化。NaOH浓度为0.5M时处理后表面硬度明显提高，说明该浓度下的马氏体相变量足以引起硬度的明显变化，硬度提高的原因是电脉冲处理导致的马氏体相变。

Claims (10)

1.一种在介质中电脉冲处理提高钢表面硬度的方法，其特征在于，包括以下步骤：将含有奥氏体的不锈钢置于解质水溶液中作为工作电极，在电解质水溶液中加入一辅助电极，将工作电极和辅助电极分别连接到一输出电位和正负极都可进行调节的电源上，电源输出正、负极交替变化的电脉冲，使不锈钢和辅助电极分别交替成为阳极和阴极，从而使钢的表面发生马氏体相变，提高钢的表面硬度；上述电解质水溶液为Na₂SiO₃、Na₂CO₃或NaOH的水溶液，其中Na₂SiO₃的浓度为0.05M-饱和，Na₂CO₃的浓度为0.1M-饱和，NaOH的浓度为0.01-5M。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，Na₂SiO₃的浓度为0.1M-1M，Na₂CO₃的浓度为0.5M-饱和；NaOH的浓度为0.01M-1M。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，NaOH的浓度为0.1M-1M。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，所用电源的阴极电压低于介质中的析氢电位；所用电源的阳极电压在自腐蚀电位以上0.3-1.0V。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，阴极电压在析氢电位以下0.2V-2.0V。

6.按照权利要求1的方法，其特征在于，辅助电极为惰性电极。

7.按照权利要求1的方法，其特征在于，含有奥氏体的不锈钢为钢的原始组织状态，是奥氏体或是奥氏体和马氏体的混合。

8.按照权利要求1的方法，其特征在于，电源输出的电脉冲频率低于1Hz，脉冲的一个周期内的阳极部分和阴极部分的时间相等或不相等。

9.按照权利要求1的方法，其特征在于，电脉冲处理温度在20-100°C，处理时间为2-48h。

10.按照权利要求1的方法，其特征在于，电极脉冲处理的温度优选50-90°C， 处理时间为4-12h。 

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