CN105887001A - 钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的复合处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁表面改性热处理工艺技术领域，具体为一种用于钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的复合处理方法。方法步骤为：(1)将钢铁样品放入渗碳溶液并作为阴极，石墨材料作为阳极，在室温条件下对两极施加电压至220V‑400V，处理3min‑15min，可得到厚度为15μm‑90μm渗碳层。(2)将渗碳处理过的样品作为阴极放入硼碳共渗溶液，石墨作为阳极，对两极施加电压至200V‑500V，处理10min‑30min，可得到厚度为20μm‑100μm硼碳共渗层。利用此复合处理方法得到的硼碳共渗层的硬度可以达到1500HV‑2400HV，比钢基体提高10‑15倍，耐磨性和耐用性得到大幅度提高。同时摩擦系数和磨损率分别降为钢基体的1/5‑1/8和1/21‑1/25。等离子体电解硼碳共渗处理显著提高了钢铁的耐摩擦磨损性能。该工艺无后处理，工艺简单，工件变形小，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的复合处理方法，属于钢铁表面改性热处理工艺技术领域。
背景技术
一般钢铁材料在实际应用中需要具有良好的润滑耐磨性能。表面渗硼是一种金属表面强化的化学热处理方法，是一种通过向钢铁和合金渗入硼元素以获得铁的硼化物，提高钢铁耐磨性能的有效方法。渗硼层具有较高的硬度，良好的耐磨性，并且渗硼层还具有较高的抗腐蚀性能，这使得渗硼工艺被广泛应用于各种工具模具及耐磨工件的热处理上。然而由于渗硼层硬度高，一般可以达到1000HV-2000HV，比钢基体硬度高很多倍，所以渗硼层通常脆性大，在长时间使用后容易从工件表面剥落。现有的渗硼工艺通常具用渗剂价格高、毒性大、易爆，工艺复杂，成本较高等问题，而且通常为了得到较好渗层组织和性能，往往需要较长的加热处理时间，效率不高，并且工件容易变形。专利CN85100597和200810242411.6就是在钢铁表面用传统渗硼方法得到渗硼层的工艺方法。
液相等离子体电解渗是一种新型的钢铁表面改性技术。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。渗入机制为随着施加电压的升高，反应产生大量的气体，形成使电解液和电极表面隔离的气膜。气膜达到击穿电压后发生击穿反应，在钢铁样件表面产生弧光放电，形成等离子体鞘层。产生的等离子体中含有大量硼、碳活性粒子，在高电场作用下，它们轰击钢铁表面，形成复杂化合物，并在局部高温高压作用下向钢铁内部快速扩散，在短时间内即可获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗层。
由于硼在纯铁中固溶度非常小，渗硼处理时渗层生长速度较慢，并且渗硼层与铁基体间硬度相差很大，影响渗层结合力。随着钢铁中碳浓度提高，硼元素在钢铁中固溶度也相应增加。通过对钢铁表面先进行渗碳预处理，以提高钢铁表层的碳浓度，从而明显提升硼元素在钢铁中扩散速度，使渗硼速度大幅提升，而且由于先形成的渗碳层可以降低硬度较高的渗硼层与铁基体之间的硬度梯度，提高了渗层的结合力。另外由于电解液冷却使工件变形小。这些优点使得先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的复合处理工艺具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供一种用于钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的复合处理方法。它是先在特定的渗碳电解液中，短时间内可以在钢铁表面制备均匀的渗碳层，厚度为15μm-30μm。再将渗碳处理的样品进行硼碳共渗处理，得到厚度为20μm-40μm，硬度达到1500HV-2400HV的渗硼层。利用此复合处理方法得到较厚的硼碳共渗层，硬度梯度平缓，有效避免高硬度渗层的剥落。本发明节能环保，设备简单，工件变形小，无需后处理，该电解液几乎适合所有型号钢材的复合表面处理。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体如下：
本发明所述用于钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的电解液组分及各组分按质量百分比为为：(1)渗碳电解液：甘油50-80％，碳酸钠5-10％，氯化纳1-3％，去离子水10-40％。(2)硼碳共渗电解液：硼砂25-50％，甘油10-30％，碳酸氢钠5-15％，硫酸钠5-15％，氯化钾2-5％，去离子水20-50％。
在上述溶液中对钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的方法如下：(1)将钢铁样品放入渗碳溶液并作为阴极，石墨材料作为阳极，在室温条件下对两极施加电压至220V-400V，处理3min-15min，可得到厚度为15μm-90μm的渗碳层。(2)将渗碳处理过的样品作为阴极放入硼碳共渗溶液里，石墨作为阳极，对两极施加电压至200 V-500 V，处理10min-30min，可得到厚度为20μm-100μm，硬度为1800HV-2400HV的渗硼层。
本发明通过在钢铁表面先渗碳预处理，再进行硼碳共渗，可以明显提高渗硼速率，并降低渗硼层与基体的硬度梯度，使渗层与钢铁基体能够紧密结合。制备的硼碳二元共渗层，具有均匀致密，硬度明显提高，耐磨损性能好的显著特点，从而提高了钢铁的综合使用寿命。本发明的优势为：硼碳共渗层生长速度快，渗层硬度高，工件变形小，共渗时间短，设备简单，没有后处理，成本低廉。
附图说明
附图1为Q235低碳钢先等离子体电解渗碳再硼碳共渗得到的硼碳共渗层截面的金相照片。
附图2为Q235低碳钢先等离子体电解渗碳再硼碳共渗得到的硼碳共渗层截面硬度分布曲线。
具体实施方式
根据本发明所述的电解液体系，配置了相应配方的电解液，并采用本发明所提供的等离子体电解复合共渗工艺方法，对Q235低碳钢进行先等离子体电解渗碳再硼碳共渗处理。测量了Q235低碳钢基体及复合处理得到的硼碳共渗层的厚度、显微硬度、摩擦系数和磨损率。结合本发明的技术方案进一步提供以下实施例：
实施例1
(1)工件前处理：工件选为Q235低碳钢，表面硬度为171HV，处理尺寸为55mm×16mm×1.5mm。将工件用酒精清洗并干燥。
(2)等离子体电解渗碳预处理：往电解槽中加入1L甘油，800ml去离子水，再加入140g碳酸钠和91g氯化钠，并不断搅拌，直到完全混合均匀。将Q235低碳钢样品放入配制的液相等离子体渗碳电解液中，以Q235低碳钢样品作为阴极，石墨材料作为阳极，加电压至320V，进行渗碳处理10min，即可得到厚度为80μm的渗碳层，硬度为820HV。将此工件记为S1。
(3)等离子体电解硼碳共渗：往电解槽中按顺序加入2L去离子水，900ml甘油，1400g硼砂，390g碳酸氢钠、390g硫酸钠和280g氯化钾，并不断搅拌，直到完全溶解。将渗碳预处理制得的Q235低碳钢工件S1样品放入配制的等离子体硼碳共渗电解液中并作为阴极，石墨材料作为阳极，加电压至400V，进行硼碳共渗处理15min，即可得到厚度为70μm的硼碳共渗层，表面硬度为2350HV。将此工件记为S2。
对实施例1制得的Q235低碳钢样品工件S2进行如下的性能测试，测试结果如表1所示。
(1)渗硼层厚度测量
切割S2样品并用电木粉镶样，打磨抛光后，使用型号为Zeiss image A2m金相显微镜观察渗硼层的截面形貌，并测量硼碳共渗层的厚度，取六个点平均值作为渗层的厚度值。
(2)显微硬度
使用HX-1000TM维氏显微硬度计测量S2试样截面硼碳共渗层表面的硬度，取六个点的平均值为渗硼层的显微硬度。
(3)摩擦系数
使用HT-1000摩擦磨损试验机对S2样品进行常温下的摩擦磨损实验。选择直径为5mm的ZrO2球作为摩擦副，并设定转速为每秒300转，磨痕直径d为10mm，载荷G为500g，摩擦持续时间t为10 min，最后得到S2样品表面的摩擦系数，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S2样品的磨痕形貌，计算出磨痕的宽度，深度和截面积S，并由公式：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2
按照实施例1的方法对未经复合处理的Q235低碳钢基体进行性能测试，以便对比分析钢铁试样在经复合处理前后的性能差异。结果如表1所示。
表1：Q235低碳钢基体与先等离子体电解渗碳再硼碳共渗复合处理样品的性能测试结果
表1为本发明实施例在适当溶液配比及电压条件下对Q235低碳钢基体和先等离子体电解渗碳再硼碳共渗复合处理样品的性能测试结果。从表1可知，本实施例中的电解液及先等离子体电解渗碳再硼碳共渗复合处理工艺方法对Q235钢基体进行表面处理后，显微硬度增加到钢基体的14倍、摩擦系数和磨损率分别降为钢基体的1/6和1/23。因此，本发明的先等离子体电解渗碳再硼碳共渗复合处理工艺可以大幅度提高钢铁的摩擦磨损性能，从而可以提高钢铁的综合使用寿命。
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 (1)
1.一种钢铁表面先等离子体电解渗碳再硼碳共渗的复合处理方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a.等离子体电解渗碳预处理：将钢铁工件完全浸泡在装有渗碳电解液的电解槽中并作为阴极，石墨材料作为阳极。渗碳电解液配比为：甘油50-80％，碳酸钠5-10％，氯化纳1-3％，去离子水10-40％。在室温条件下对两极施加电压至220V-400V，处理5min-15min，渗碳层厚度可达到15μm-90μm。
b.等离子体电解硼碳共渗处理：将渗碳处理过的样品完全浸泡在装有硼碳共渗电解液的电解槽中并作为阴极，石墨材料作为阳极。硼碳共渗电解液配比为：硼砂25-50％，甘油10-30％，碳酸氢钠5-15％，硫酸钠5-15％，氯化钾2-5％，去离子水20-50％。在室温条件下对两极施加电压至200V-500V，处理10min-30min，渗硼层厚度可达到20μm-100μm。
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