CN104294343A - 一种钢铁表面类金刚石复合渗碳层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用阴极液相等离子体电解技术在钢铁表面制备类金刚石复合渗碳层的方法，属于表面处理技术领域。以钢铁试样为阴极，石墨为阳极，浸入到特定的电解质溶液中；该电解液各组分的质量百分比为：甘油50-70％，乙醇10-20％，碳酸钠5-10％，氯化钠3-5％，去离子水10-20％。室温条件下在两电极间施加200V-500V的电压，阴极表面发生等离子体放电，放电处理时间为0.5-5min。处理结束后切断电源，即可得到含有类金刚石成分的渗碳层。本发明方法工序简单，成本低，效率高，所制备的类金刚石复合渗碳层结构致密，硬度达到600HV以上，能有效提高钢铁材料的使用寿命。

Description

一种钢铁表面类金刚石复合渗碳层的制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料表面处理技术领域，特别是提供了一种利用阴极液相等离子体电解技术在钢铁表面制备类金刚石复合渗碳层的方法。

背景技术

渗碳工艺是钢铁材料常用的表面硬化方法，对齿轮、轴类等零件进行渗碳处理后可有效提高试样的表面硬度和耐磨性，从而获得所需的综合力学性能。但是传统的渗碳方法，如固体法，需要在接近1000℃的高温条件下进行，其工序复杂，耗时长且工件变形大，处理成本高。专利200710050131.0和200880005440.9就是在钢铁表面获得渗碳层的传统工艺方法。

阴极液相等离子体电解渗碳是一种新型的钢铁表面改性技术，该技术以被处理的钢铁试样为阴极，惰性材料为阳极，共同浸入在特定的电解液中，并在阴阳极之间施加一定的电压，所用电解液通常是由甘油、乙醇等有机物和少量无机导电介质组成。由电流热效应产生的电解液气膜在临界电压下被击穿，产生电弧放电，电解质被分解形成大量等离子态的碳活性粒子。这些粒子在高电场、流体动力等作用下轰击试样表面，并在局部高温高压、高浓度的作用下向金属内部快速扩散，几分钟内即可获得几十微米厚的渗碳层。整个过程在常温电解液中、大气环境下进行，设备操作简单，能耗低，工件变形小，处理效率高；所制备的渗碳层性能达到甚至超过传统渗碳技术制备的渗碳层性能，因此具有广阔的应用前景。专利200910232925.8公开了一种用于低碳钢快速微弧渗碳的溶液及方法，其电解液的有效成分是甲酰胺、甘油、碳酸钠和碳酸钾，放电处理时间为5-15分钟，所制备渗碳层的硬度为550HV。该发明所用的溶液具有环境兼容性好，工作温度要求低，处理速度快的特点；然而通过调整电解液成分和优化工艺，处理效率和渗层性能还能得到进一步提升。

类金刚石是由无定形碳和金刚石相组成的非晶亚稳态碳材料，由于具有与金刚石相类似的性能——优异的机械特性、电学特性、光学特性、热学和化学特性以及良好的生物相容性，同时制备方法相对容易实现，因而成为人们重点研究的新材料。目前类金刚石膜已经应用到很多领域，例如利用类金刚石膜的高硬度及抗化学腐蚀性能，将其应用于防止金属化学腐蚀和划伤方面；利用其良好的生物相容性和低摩擦性能，用作人工关节承受面的抗磨层；利用类金刚石膜的可见光吸收和红外透过性能，将其用在锗光学镜片上和硅太阳能电池上。物理气相沉积和化学气相沉积是目前制备类金刚石膜的主要途径，但二者一般需要真空或高温条件，设备运行和维护的成本较高，同时沉积过程中内应力较大，膜基结合性较差，限制了膜层厚度的增大。文献(A.L.Yerokhin，A.Leyland，C.Tsotsos，A.D.Wilson，X.Nie，A.Matthews.Duplex surface treatments combining plasma electrolytic nitrocarburising andplasma-immersion ion-assisted deposition.Surface and Coatings Technology，2001，142-144：1129-1136.)采用液相等离子体电解方法在钢铁表面制备出碳氮共渗层，再采用等离子体浸没离子增强沉积方法在渗层表面进一步沉积出类金刚石薄膜，提高了基体材料的耐磨性能。但该方法制备的复合膜是分两步完成的，工序复杂，效率较低。

本发明采用阴极液相等离子体电解渗碳技术在特定电解液中制备出类金刚石复合渗碳层，所制备的复合渗层结构致密，兼具渗碳层和类金刚石的高硬耐磨性能。该方法是在等离子体放电制备渗碳层的基础上，利用等离子体区的高温高压作用以及氢元素的诱导作用直接将部分活性的碳原子或离子键合成sp³C，形成类金刚石成分并沉积在渗碳层表面，制备出复合渗层。钢铁试样经过该方法处理后，表面硬度和耐磨性可得到大幅提高。这种同时制备渗碳层和类金刚石获得复合渗层的方法目前尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的类金刚石复合渗碳层的制备方法，其特征在于，所述类金刚石复合渗碳层的制备方法是基于特定电解液中快速阴极等离子体电解渗碳的技术，所制备的复合渗层硬度可达600HV以上，远高于钢铁基体硬度。该方法具体工艺流程如下：

步骤一、配制阴极等离子体电解渗碳所用的电解液，各组分按质量百分比计算：甘油50-70％，乙醇10-20％，碳酸钠5-10％，氯化钠3-5％，去离子水10-20％。

步骤二、对钢铁试样进行预处理，用360^#-1500^#砂纸对钢铁表面进行打磨，再用酒精清洗去除表面油污，之后将样品烘干。

步骤三、将预处理后的钢铁试样作为阴极，石墨为阳极，共同浸入到盛有已配制电解液的电解槽中，室温条件下在两电极间施加200V-500V电压，处理过程中样品表面会有明亮的等离子体放电发出的白光，在该状态下保持处理的时间即可，处理时间为0.5-5min；

使用上述方法对钢铁材料进行快速处理后，可得均匀致密的类金刚石复合渗碳层，渗层厚度可达到20μm-60μm。

本发明的特点在于：(1)利用液相等离子体区的高温高压作用将有机电解质分解产生的活性碳元素直接转变为类金刚石成分，并同步沉积在渗碳层表面形成复合渗层，在实现快速渗碳的同时获得了类金刚石的优良特性；(2)所用电解液溶质来源广泛，放电过程中不产生有害气体，清洁无污染；(3)整个处理过程在常温、大气环境下进行，设备维护成本低且工序简单、可重复性强、生产效率高；(4)所制备出的复合渗层均匀致密，且具有较高的硬度和较好的耐磨性，能有效提高钢铁材料的使用寿命；(5)该工艺适用于各种牌号的钢铁材料。

附图说明

说明书附图1是用本发明制备出的类金刚石复合渗碳层的横截面扫描电镜照片。说明书附图2是复合渗层在激发波长为633nm时的拉曼光谱图，由该谱图可以确认渗碳层表面含有一定比例的类金刚石成分。

具体实施方式

根据本发明所述的电解液体系及工序流程，提供以下实施例：

实施例1

以T8碳钢作为阴极，石墨为阳极，首先用砂纸(360^#-1500^#)对钢表面进行打磨预处理并用酒精清洗去油污。然后配制电解液：甘油790ml，乙醇507ml，碳酸钠200g，氯化钠100g，去离子水300ml，将两电极浸在盛有上述电解液的电解槽中，并施加340V电压，处理时间为1min。处理结束后，切断电源，即可得到一层厚约25μm，硬度为570HV左右的均匀类金刚石复合渗碳层(如附图1所示)。

实施例2

以T8碳钢作为阴极，石墨为阳极，首先用砂纸(360^#-1500^#)对钢表面进行打磨预处理并用酒精清洗去油污。然后配制电解液：甘油952ml，乙醇380ml，碳酸钠200g，氯化钠100g，去离子水200ml，将两电极浸在盛有上述电解液的电解槽中，并施加380V电压，处理时间为1min。处理结束后，切断电源，即可得到一层厚约40μm，硬度为600HV左右的均匀类金刚石复合渗碳层。

实施例3

以T8碳钢作为阴极，石墨为阳极，首先用砂纸(360^#-1500^#)对钢表面进行打磨预处理并用酒精清洗去油污。然后配制电解液：甘油1110ml，乙醇253ml，碳酸钠100g，氯化钠100g，去离子水200ml，将两电极浸在盛有上述电解液的电解槽中，并施加420V电压，处理时间为1min。处理结束后，切断电源，即可得到一层厚约55μm，硬度为630HV左右的均匀类金刚石复合渗碳层。

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)

1.一种用于制备类金刚石复合渗碳层的电解液，其特征在于，所述电解液为含有甘油、乙醇、碳酸钠和氯化钠的水溶液。

2.针对权利要求1所述的电解液，其特征在于，各组分按质量百分比计算分别为：甘油50-70％，乙醇10-20％，碳酸钠5-10％，氯化钠3-5％，去离子水10-20％。

3.一种制备类金刚石复合渗碳层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、配制权利要求2所述的电解液；

步骤二、对钢铁阴极材料进行表面预处理，包括砂纸打磨和酒精清洗去油污；

步骤三、将预处理后的钢铁材料作为阴极，石墨为阳极，浸入到盛有权利要求2所述电解液的电解槽中，室温条件下在两电极间施加200V-500V电压，处理时间为0.5-5min，之后切断电源，制备出类金刚石复合渗碳层。