CN104018201B - 一种用于钢铁表面快速阴极微弧氧化处理的溶液和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对钢铁表面进行快速阴极微弧氧化处理的电解液及阴极微弧氧化方法。该电解液为水溶液，所述水溶液各组分按重量百分比计算：硼酸钠：15‑30％，碳酸钠：10‑20％，甘油：20‑25％，甲酰胺：10‑15％，氯化钠：5‑10％，去离子水：15‑40％。通过本发明提供的阴极微弧氧化工艺和溶液，将钢铁作为阴极，石墨作为阳极，室温条件下加电压至150V‑400V，即在钢铁表面生成致密的氧化膜，厚度达35μm‑180μm，而处理时间只有5min‑30min。氧化膜的硬度是不锈钢基体硬度的4倍以上，摩擦系数和磨损率显著降低，且处理后零件无变形，无后处理。
Description
技术领域
本发明属于钢铁表面处理技术领域，特指一种将钢铁作为阴极并进行阴极微弧氧化处理的电解液和方法，经处理的钢铁材料可提高其耐磨性能。
背景技术
钢铁材料广泛应用于各行各业，但是大部分钢铁材料特别是低碳钢和不锈钢的硬度较低(通常情况下200HV-300HV)，摩擦系数大，耐磨性较差，故应提高钢铁的耐磨性。表面改性是提高钢铁摩擦磨损性能的有效方法，常见方法包括表面热处理，热喷涂，气相沉积，渗碳渗氮及碳氮共渗等。专利200880005440.9和200680046315.3就是在钢铁表面得到渗碳和碳氮共渗层的工艺方法。
微弧氧化通过依靠电解液里弧光放电产生的瞬时高温高压作用，在铝、镁、钛等阀金属表面生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击等特性。在微弧氧化过程中，铝、镁、钛样件通常作为阳极，但铁不属于阀金属，不易形成高质量的阳极微弧氧化膜。文献(YunlongWang，Zhaohua Jiang，Zhongping Yao.Preparation and properties of ceramic coating on Q235carbon steel by plasma electrolytic oxidation.Current Applied Physics.9(2009)1067-1071)以钢铁为阳极，通过电解液的沉积在铝酸盐电解液中获得FeAl2O4相组成的微弧氧化膜，但阳极微弧氧化不能生长出以钢铁基体本身氧化物为主的膜层，使其膜层不致密，且膜与钢铁结合力不足，限制了膜层摩擦性能的提高。
本专利发明的钢铁表面快速阴极微弧氧化处理技术，该技术在特定的电解液中，以被处理的钢铁材料作为阴极，惰性材料石墨作为阳极，阴极和阳极之间施加一定的电压，电流热效应使钢铁样件表面水溶液迅速气化并在试样表面形成气膜。电压进一步升高将使气膜击穿，在钢铁样件表面产生弧光放电，形成等离子体鞘层。在此气膜中电离出大量活性氧原子，它们并与钢铁基体发生反应快速形成氧化膜。阴极微弧氧化能够形成以钢铁基体金属为主的氧化膜，膜层生长速度快且更加致密，孔隙率低，均匀性良好；同时由于电解液的冷却作用，样件变形小，这些使得钢铁阴极微弧氧化工艺具有良好的应用前景。
发明内容
为提高钢铁材料的耐摩擦磨损性能，本专利采用的技术方案是：提供一种钢铁阴极微弧氧化的电解液和工艺，即将钢铁作为阴极，在专利所述的电解液中对其进行快速阴极微弧氧化处理，得到均匀致密硬度高的氧化膜，使得钢铁表面硬度提高至少4倍以上，摩擦系数和磨损率也有大幅度降低。同时，该溶液和工艺适合几乎所有的钢铁材料。其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、配制阴极微弧氧化电解液：所属电解液水溶液各组分按重量百分比计算：硼酸钠：15-30％，碳酸钠：10-20％，甘油：20-25％，甲酰胺：10-15％，氯化钠：5-10％，去离子水：15-40％。
步骤二、对待处理的钢铁材料进行预处理：用360#，600#，800#和1200#砂纸对钢铁表面进行打磨。
步骤三、阴极微弧氧化处理，过程如下：
将钢铁材料完全浸泡在盛装有步骤一得到的电解液的电解槽中并作为阴极，溶液中石墨为阳极，采用自制的阴极微弧氧化设备进行阴极微弧氧化处理，其间样品表面会有极明亮的由等离子体微弧气膜发出的白光，在此情况下保持处理的时间即可。所述的阴极微弧氧化电源电压为150V-400V，处理时间为5min-30min；
使用上述溶液对钢铁进行阴极快速氧化处理后，可得均匀致密的，由致密层和疏松层构成的多层结构氧化膜(示意图见说明书附图)，厚度可达到35-180μm。
本发明具有实质性特点和显著进步。首先，本发明开发研究的电解液溶质来源广泛，成本低；而且本发明工件作为阴极，不同于传统微弧氧化时工件作为阳极，其在原理上有显著区别；另外，本发明所述之工艺下，膜层生长速度快，效率高；最后通过本发明的方法工艺所得到的氧化膜与钢铁基体结合强度高，均匀且致密性好，具有很高硬度和耐磨性，从而延长了钢铁的使用寿命。
【附图说明】
用此方法在0Cr18Ni9不锈钢表面得到的氧化膜多层结构见说明书附图.
【具体实施方式】
根据本发明所述的电解液体系，配置了几种配方的电解液，并采用本发明所提供的阴极微弧氧化工艺条件，对0Cr18Ni9不锈钢进行快速阴极微弧氧化处理。测定了氧化层的厚度，测量了0Cr18Ni9不锈钢基体及不同条件下得到的微弧氧化膜的表面粗糙度、显微硬度及磨损率。
结合本发明技术方案提供以下实施例：
实施例1
本例中，被处理的钢铁材料是0Cr18Ni9不锈钢试样。首先对待处理的钢铁材料进行预处理，用360#，600#，800#和1200#砂纸对0Cr18Ni9不锈钢试样表面进行打磨并去除表面的油污。
然后，配置阴极微弧氧化溶液：所述的阴极微弧氧化溶液为：硼酸钠：1500g，碳酸钠：1000g，甘油：1600ml，甲酰胺：750ml，氯化钠：500g，去离子水：4L。
在配置好电解液后，将所需要处理的试样作为阴极并完全浸泡在盛装有所述电解液的电解槽中，石墨为阳极，采用自制的阴极微弧氧化设备进行阴极微弧氧化处理，所述的阴极微弧氧化处理中电源电压为200V，处理时间为15min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的阴极微弧氧化膜的0Cr18Ni9不锈钢工件，记为S1。
实施例2
与实施例1相同的方法对0Cr18Ni9不锈钢试样进行表面预处理，配置电解液和对其进行快速阴极微弧氧化处理。所述电解液中溶质和去离子水的质量分别为硼酸钠：1500g，碳酸钠：1500g，甘油：1600ml，甲酰胺：1130ml，氯化钠：500g，去离子水3L。在阴极微弧氧化处理过程中，所述电源电压为260V，处理时间为20min；
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的阴极微弧氧化膜的0Cr18Ni9不锈钢工件，记为S2。
实施例3
与实施例1相同的方法对0Cr18Ni9不锈钢试样进行表面预处理，配置电解液和对其进行快速阴极微弧氧化处理。所述电解液中溶质和去离子水质量分别为硼酸钠：3000g，碳酸钠：3000g，甘油：2400ml，甲酰胺：1700ml，氯化钠：750g，去离子水3L。在阴极微弧氧化处理过程中，所述电源电压为350V，处理时间为25min；
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀的阴极微弧氧化膜的0Cr18Ni9不锈钢工件，记为S3。
实施例4
对实施例1制得的0Cr18Ni9不锈钢工件S1进行如下的性能测试，测试结果如表1所示。
(1)氧化膜厚度测量
切割S1样品并用胶木粉镶样，打磨抛光后，使用型号为Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察膜层截面形貌，并测量微弧氧化膜的厚度，取五个点平均值作为膜层的厚度值。
(2)硬度
使用HX-1000TM维氏显微硬度计测量S1试样截面致密层五点的硬度，取平均值得到阴极微弧氧化膜层的硬度。
(3)摩擦系数
用砂纸将氧化层表层打磨掉，使用HT-1000摩擦磨损试验机对S1样品进行常温下的摩擦磨损实验，选择直径5mm的ZrO2球为摩擦副，并设定球的转速为每秒300转，磨痕直径d为8mm，载荷G为500g，摩擦持续时间t为10min，最后得到S1样品的摩擦系数，该系数为平均值.
(4)磨损率
利用北京时代TR200粗糙度测量仪测量上述(3)中得到的S1样品磨痕的宽度，深度和截面积S，由公式：v＝S/(300tG)计算出磨损速率v，以此来判断渗层的耐磨性能。
实施例5-6
按照实施例4的方法对实施例2和实施例3处理得到的S2和S3样品进行性能测试。结果如表1表示。
实施实例7
按照实施例4的方法对未经阴极微弧氧化处理的0Cr18Ni9不锈钢基体进行性能测试，以便对比分析钢铁试样在经阴极微弧氧化处理前后的性能差异。结果如表1所示。
表1
从表1可知，同未进行阴极微弧氧化处理的样品相比，采用本发明的电解液及阴极微弧氧化工艺方法对钢铁表面进行处理后，钢铁材料的表面硬度升高到原来的四倍以上，摩擦系数和磨损率大幅度降低。因此，本发明的电解液及阴极微弧氧化工艺可以大幅度提高钢铁的抗摩擦磨损性能，从而可以延长钢铁材料的使用寿命。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于钢铁表面进行快速阴极微弧氧化处理的电解液，其特征在于所述的电解液为含有硼酸钠，碳酸钠，甘油，甲酰胺，氯化钠，以及去离子水的水溶液。
2.根据权利要求1所述的一种对钢铁表面进行快速阴极微弧氧化处理的电解液，其特征在于所述的电解液水溶液各组分按重量百分比计算：硼酸钠：15-30％，碳酸钠：10-20％，甘油：20-25％，甲酰胺：10-15％，氯化钠：5-10％，去离子水：15-40％。
3.一种钢铁表面快速阴极微弧氧化处理的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、配制权利2要求的阴极微弧氧化电解液；
步骤二、对待处理的钢铁材料进行表面清洗和预处理：用360#-1200#砂纸对钢铁表面进行打磨，并去除表面的油污；
步骤三、阴极微弧氧化处理：将钢铁材料完全浸泡在盛装有权利要求2所述电解液的电解槽中并作为阴极，溶液中石墨作为阳极；所述的阴极微弧氧化工作电压为150V-400V，处理时间为5min-30min；氧化膜厚度可达到35μm-180μm。
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