CN109097724A - 一种基于脉冲电弧的渗碳强化仿生结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲电弧的渗碳强化仿生结构的制备方法，该方法采用石墨电极作为阳极，利用脉冲电源产生脉冲电弧，对合金基底表面进行电弧强化，其中阳极碳源随着电弧高温从电极表面高速离开，同时伴随电弧所形成流场，定向冲击基底表面，基底在电弧作用下形成较小熔池，碳得以进入基底，完成渗碳，并留下圆形坑状脉冲熔池，多个脉冲熔池叠压，形成鳞片状仿生结构。本发明综合调控强化仿生区的微观组织结构和残余应力，表面渗碳提升硬度，鳞片状仿生结构减小接触面，降低摩擦阻力，两者结合可显著提升材料的耐磨性能，特别是对于磨粒磨损环境下的应用，能够很好延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及农用金属材料表面改性技术领域，尤其涉及一种基于脉冲电弧的渗碳强化仿生结构的制备方法。
背景技术
中低碳钢一般指的是含碳量在0.6％以下的非合金钢，中低碳钢以及钛合金材料部件在工业、农业工程应用十分广泛，使用中常存在强烈的冲击和振动，同时也经常会受到各种摩擦因素影响，比如矿采齿轮、轴承、农用机械锤片、犁铧等。部件使用过程中受到零件之间载荷下的摩擦或者环境中硬质颗粒(砂石、物料)高速冲击磨损，使得部件表面形成严重磨损，改变原有设计尺寸。这不仅将降低部件使用效果如农机耕作效率，还会导致能耗增加、作业质量下降，同时频繁更换部件将导致生产成本增加。因此，提高中低碳钢以及钛合金材料部件表面的耐磨性和抗疲劳性能对于延长其使用寿命是非常重要的，这将产生巨大的经济和社会效益，提高工、农业工程应用的安全性。
为提高中低碳钢以及钛合金材料的表面性能，现有技术大都通过改变材料表面整体成分和组织来实现其表面性能的提高，如各种表面热处理和强化技术，包括表面淬火、表面强化涂层、渗碳渗铬等。其中渗碳工艺对材料硬度提升大，并且能够具有毫米级渗透深度，对耐磨性提升效果明显。传统气体渗碳与固体渗碳针对工件整体渗碳，不可进行局部渗碳，因此在某些使用零件中并不适合，另外，整套设备昂贵对于一些小微企业难以承受，特别是对于农业机械制造而言。
自然界的生物体已有40亿年的进化历史，其中存在很多巧妙的原理与结构，人们对其进行研究与探索，有利于技术创新。1960年美国科学家首次提出了仿生设计，随着仿生技术的发展，人们开始在材料表面制备仿生结构，以使其表面获得生物所具备的一些特殊性能。表面仿生结构一般通过表面微造型的方法来制备，常用的表面微造型方法有激光加工及复合加工等，这些方法虽然能够提高材料表面性能，但是其对加工设备和加工精度的要求都比较高，而且是在改变零部件局部尺度的条件下实现的。
吉林大学佟金等人公布一种棱纹型仿生耐磨结构表面，以增强材料应用中的对磨料磨损的抵抗特性，该结构能够改变磨料与部件接触之后运动状态，成功减小磨料磨损量。该技术方案只是设计一种结构，而未涉及到制备技术与棱纹型结构制造带来的材料显微结构与性能变化，仅仅提出概念。此外，该对比文件中所述的仿生结构与本发明中的单元结构不同，因此对于磨粒运动方式改变不同。
中国专利CN 104789920(公开日：2015.07.22)公开了一种利用等离子熔射鱼鳞状耐磨涂层的方法，它是以Fe+B4C+Ti+W+C+WC为原料，以Ar和N2为气体介质，在等离子束热源的加热作用下，粉末在预处理的工件表面上发生原位反应，形成鳞片状形态的耐磨凸台涂层。该方法设备昂贵，成本高，且无法控制鳞片的形状，不适于推广使用。
发明内容
为了解决金属材料表面的高硬度和高耐磨性与加工时部件的热变形之间的矛盾，本发明将渗碳工艺和仿生工艺有效地结合在一起，使得金属材料既能满足表面的高硬度和高耐磨性，又能保持心部的强度和韧性；同时在金属材料表面制备鳞片状仿生结构，进一步提高金属材料表面减粘、减阻和抗磨损等特性，从而有效提高金属材料的工作性能，延长使用寿命，且工艺简单，成本低廉。
本发明采用了以下技术方案：
一种基于脉冲电弧的渗碳强化仿生结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)对金属试样表面依次进行打磨、抛光和清洗，所述的金属试样采用低碳钢、钛合金或金属钛材料；
(2)以碳源电极作为阳极，在脉冲放电模式下将碳源电极靠近金属试样表面，连续输出脉冲；每次放电金属试样表面形成一个圆形凹坑状脉冲熔池，每个脉冲周期碳源电极沿X方向向前平移X0，脉冲熔池依次叠压，得到一行沿X方向的鳞片状仿生结构；
(3)沿垂直于X方向的Y方向每平移Y0重复步骤(2)一次，重复多次后，得到多行平行的鳞片状仿生结构；
(4)将金属试样放入沙土保温，使其自然冷却至室温，然后清除表面杂质和毛刺，即成。
熔池参数为：半径为0.3～2mm，深度为0.1～1.8mm；X0为‐0.2～2mm，负号表示鳞片状结构叠压，Y0为0.1～3mm，金属试样表面渗碳深度为0.1～1.8mm。
所述的碳源电极为石墨电极。
电极参数为：石墨电极的直径为0.2～2.0mm，石墨电极尖角为30～60°，石墨电极偏角为70～90°，石墨电极尖部到金属试样表面的距离为0.3～1.0mm；脉冲参数为：脉冲电流为40～180A，脉冲时间为40～80ms。优选地：脉冲电流为80A，脉冲时间为60ms，石墨电极尖角为50°，焊枪偏角为80°，石墨电极尖部到金属试样表面的距离为0.5mm。
氩气流量依照电流大小与电极尺寸选择，最佳情况为：制备完成后熔池附近斑点无氧化痕迹。
所述的各行鳞片状仿生结构相互平行，且行间距Y0相等。
一种位于金属试样表面的鳞片状仿生结构，由上述方法制备得到。
所述的鳞片状仿生结构在农用金属材料表面改性技术领域的应用。
本发明采用石墨电极作为阳极，利用脉冲电源产生脉冲电弧，对金属基底表面进行电弧强化，其中阳极碳源随着电弧高温从电极表面高速离开，同时伴随电弧所形成的流场，定向冲击金属基底表面，金属基底在电弧作用下形成较小熔池，碳得以进入金属基底，完成渗碳，并留下圆形坑状脉冲熔池，多个脉冲熔池叠压，形成鳞片状仿生结构。本发明综合调控强化仿生区的微观组织结构和残余应力，表面渗碳提升硬度，鳞片状仿生结构减小接触面，降低摩擦阻力，两者结合可显著提升金属材料的耐磨性能，特别是对于磨粒磨损环境下的应用，能够很好地延长使用寿命。
中低碳钢以及钛合金材料在农业工程应用中，常与土壤、沙砾产生相对摩擦作用，因此必须具备一定的强度和刚度，而且要坚韧耐磨。通过本发明提供的方法可在中低碳钢以及钛合金材料表面制备出一种鳞片状渗碳强化仿生结构，利用渗碳强化与仿生减阻的复合强化效果，显著提升中低碳钢、金属钛以及钛合金材料的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀及抗疲劳等性能，有效减少其工作过程中的磨粒磨损量，延长使用寿命。
相比于现有的金属表面处理强化技术，本发明具有对金属材料基底热影响较小的优点，能够较好保有材料心部的韧性和强度；另外该方法可以针对特定局部区域进行渗碳加工，不影响其他部分硬度指标；同时，该方法将渗碳和仿生结构结合，所述仿生结构为原位仿生，结合力良好，能承受冲击；最后，本发明具有设备成本低廉、操作简单方便、易于推广应用的优点，有效地提高工、农业零件磨料磨损性能，特备适合小微企业与个体户使用。
目前国内尚无将渗碳工艺和仿生工艺结合以用于中低碳钢、金属钛以及钛合金材料表面强化的先例，因此提出一种基于脉冲电弧的渗碳强化仿生结构的制备方法，基于脉冲电弧技术，在中低碳钢、金属钛以及钛合金材料表面制备一种鳞片状渗碳强化仿生结构，提高中低碳钢以及钛合金材料的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀及抗疲劳等性能，延长使用寿命。
附图说明
图1为扫描电子显微镜观察到的钛金属试样表面显微形貌图。
图2为扫描电子显微镜观察到的圆斑边缘形貌图。
图3为电弧强化渗碳仿生结构表面的X射线成分分析图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：以脉冲电弧渗碳强化鳞片状仿生结构为例，工艺过程包括以下步骤：
本实施例中所用焊机型号为YJHB-2型精密焊机，购自益精电子有限公司，所购石墨电极规格为R0(1mm)×L0(300mm)，购自深圳市佰德五金机械有限公司。
(1)对表面尺寸为40*40mm的合金试样(45#钢试样)表面进行打磨抛光与清洗，以除去合金试样表面的油污及氧化层等杂质，具体步骤为：先使用打磨机除去合金试样(45#钢试样)表面的氧化层及砂粒，然后使用蘸有天那水的无纺布清洗试样(45#钢试样)表面的油污等杂质；打磨机、磨样机、砂纸及抛光布等均为现有技术，可直接从市场购得。上述合金试样可采用中低碳钢或钛合金。
(2)打开焊机电源，将焊机设置为脉冲放电模式，脉冲电流分别设置为60A、70A或80A，脉冲时间均为50ms。
(3)打开氩气阀，流量调至5L/min；将石墨电极靠近金属试样表面，连续输出脉冲；在合金试样表面沿同一方向每次向前平移0.5mm使石墨电极放电一次，每次放电合金试样表面形成一个圆形凹坑状脉冲熔池，如此多次，脉冲熔池依次叠压，在合金试样(45#钢试样)表面得到一行依次叠压的鳞片状仿生结构。
(4)在与步骤(3)中得到的单行鳞片状仿生结构垂直的方向上以Y0为行距平移多次，每次平移后均在与上一行鳞片状仿生结构平行的方向上沿相同的鳞片叠压方向重复步骤(3)，如此得到多行平行的鳞片状仿生结构，直至满足需求；
(5)将经步骤(4)后完成的合金试样(45#钢试样)放入沙土保温，保温时间为20min，然后使其自然冷却至室温；
(6)分别采用蘸有无水乙醇的纱布和抛光布清除鳞片状仿生结构表面上较明显的杂质和突起较高的毛刺。
采用华银公司生产的HV1000B型显微硬度计分别对电弧渗碳前后合金试样(45#钢试样)上电弧脉冲熔池不同位置进行显微硬度测试，测试载荷为1.962N，载荷维持时间为15s，测量间距为0.2mm。将电弧渗碳后的合金试样沿垂直于试样表面的方向切开，在纵切面上任取三条垂直于合金试样表面的直线(直线A、直线B、直线C)，沿直线从合金试样表面向心部每间隔0.2mm选取一个测点进行显微硬度测试，其结果分别如表1、表2、表3所示，其中，测点深度表示测点到合金试样表面的距离。
表1.脉冲电流为80A时电弧强化合金试样截面硬度分布
表2.脉冲电流为70A时电弧强化合金试样截面硬度分布
表3.脉冲电流为60A时电弧强化合金试样截面硬度分布
由表1可知，经过电弧渗碳后，测点硬度在表面处最大，测点硬度随着距鳞片状仿生结构距表面距离的增加而逐渐降低，且脉冲熔池所在1mm深度范围内硬度普遍高于原基体，结果表面渗碳与电弧作用能够提升材料硬度，同时该技术对基体硬度影响不大，仅在1mm范围之内，能够保证韧性的前提下提升硬度与耐磨性能。
实施例2
按照实施例1所述步骤，在钛金属试样表面制备重叠鳞片状仿生结构，其中脉冲电流为70A，脉冲时间为40ms，石墨电极直径为1.2mm，石墨电极与钛金属试样表面之间间距控制在0.5mm，鳞片状仿生结构互相重叠部分不超过熔池直径的一半尺寸。采用扫描电子显微镜观察钛金属试样表面形貌，如图1所示，另外采用X射线能谱获得的钛金属试样表面成分如图3所示，图3中的钛金属试样表面成分数据列于表4中。由图1可知脉冲所生成的结构为圆形，通过圆斑叠压获得鳞片状仿生结构，鳞片状仿生结构表面观察到61.71At％含量的碳，证明该方法成功获得钛金属试样表面渗碳处理效果。
表4.脉冲电流为70A时电弧强化钛金属试样元素含量
| 元素 | Wt％ | At％ |
| C K | 28.78 | 61.71 |
| Ti K | 71.22 | 38.29 |
应当理解地是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。应当理解地是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于脉冲电弧的渗碳强化仿生结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对金属试样表面依次进行打磨、抛光和清洗，所述的金属试样采用低碳钢、钛合金或金属钛材料；
(2)以碳源电极作为阳极，在脉冲放电模式下将碳源电极靠近金属试样表面，连续输出脉冲；每次放电金属试样表面形成一个圆形凹坑状脉冲熔池，每个脉冲周期碳源电极沿X方向向前平移X0，脉冲熔池依次叠压，得到一行沿X方向的鳞片状仿生结构；
(3)沿垂直于X方向的Y方向每平移Y0重复步骤(2)一次，重复多次后，得到多行平行的鳞片状仿生结构；
(4)将金属试样放入沙土保温，使其自然冷却至室温，然后清除表面杂质和毛刺，即成。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：熔池参数为：半径为0.3～2mm，深度为0.1～1.8mm；X0为‐0.2～2mm，负号表示鳞片型结构叠压，Y0为0.1～3mm，金属试样表面渗碳深度为0.1～1.8mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的碳源电极为石墨电极。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：电极参数为：石墨电极的直径为0.2～2.0mm，石墨电极尖角为30～60°，石墨电极偏角为70～90°，石墨电极尖部到金属试样表面的距离为0.3～1.0mm；脉冲参数为：脉冲电流为40～180A，脉冲时间为40～80ms。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：脉冲电流为80A，脉冲时间为60ms，石墨电极尖角为50°，石墨电极偏角为80°，石墨电极尖部到金属试样表面的距离为0.5mm。
6.一种位于金属试样表面的鳞片状仿生结构，其特征在于：由权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到。
7.权利要求6所述的鳞片状仿生结构在农用金属材料表面改性技术领域的应用。
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