CN112359385B - 一种中碳钢表面碳氮共渗改性层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中碳钢表面碳氮共渗改性层及其制备方法，属于钢铁表面处理技术领域。本发明解决了现有阳极液相等离子体渗透电解初期，电流过大易过载，不利于反应时工件温度控制的问题。本发明将尿素溶解在去离子水形成碳氮源溶液，再取氯化铵颗粒加入到去离子水中形成导电盐溶液。将碳氮源溶液与导电盐溶液混合形成复合电解液，然后将中碳钢金属试样在复合电解液中进行电解，在其表面快速生成碳氮共渗改性层。本发明将金属试样作为阳极，利用阳极液相等离子体渗透技术，提高碳氮元素的渗透效率。通过高电压诱发等离子体辉光放电，促使活性碳氮原子轰击金属表面，最终制备出性能优异的表面碳氮共渗改性层。
Description
技术领域
本发明涉及一种中碳钢表面碳氮共渗改性层及其制备方法，属于钢铁表面处理技术领域。
背景技术
钢铁作为当今工业生产中消耗量最大，应用最广泛的金属材料，其具有较高的强度，优异的塑性和韧性，且资源丰富，其产量往往能衡量一个国家的工业化程度。而75％以上的机械零件是由于过度的摩擦磨损以及腐蚀导致报废的。为了提高钢铁材料的耐磨和耐腐蚀性，常常对钢铁表面进行渗氮、渗碳、碳氮共渗等处理，但是传统的处理方法面临许多问题，如处理过程消耗时间过长、工件易变形、工艺复杂、设备昂贵等。
液相等离子体渗透是一种新型的钢铁表面改性技术，该技术是在一个开放的大气环境下，于特定的电解液体系内完成的。试样在完成渗透处理后，可直接在电解液中淬火，并且在渗透处理过程中，工件的加热率高达100°/s，其加热速度可帮助我们在实验中避免晶粒的生长以及材料性能的恶化，在短时间内便可获得高硬度、耐磨、耐腐蚀的渗透改性层。
液相等离子体渗透包括阳极液相等离子体渗透技术和阴极液相等离子体渗透技术，阳极液相等离子体渗透技术与阴极液相等离子体渗透技术相比，具有很多优势，如电解液毒性小、污染小、渗透性更好等。阳极液相等离子体渗透由于阳极氧化作用会形成氧化膜，其膜孔在一定程度上促进了间隙原子的渗透。且阳极液相等离子体渗透过程中，由于阳极溶解作用的存在，会大大降低试样表面的光洁度。但由于现有阳极液相等离子体渗透过程中工件的电流过大，不利于反应温度的控制，且反应的试验机理较复杂，成功率较低。因此提供一种中碳钢表面碳氮共渗改性层及其阳极液相等离子体渗透制备方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好摩擦学性能，如耐磨损及低摩擦系数、高显微硬度、结合牢固、膜层均匀性较好的复合渗碳渗氮改性层。
本发明的目的还在于提供一种复合渗碳渗氮改性层的电镀形成方法。
一种中碳钢表面碳氮共渗改性层的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，将尿素颗粒加入到50℃左右的去离子水中，恒温搅拌，形成碳氮源溶液；
步骤二，将氯化铵颗粒加入到去离子水中，室温搅拌，形成导电盐溶液；
步骤三，将步骤一获得的碳氮源溶液和步骤二获得的导电盐溶液混合，并置于50℃水浴锅中，获得复合电解液；
步骤四，将金属样品放入复合电解液作为阳极，不锈钢作为阴极，采用阳极液相等离子体渗透方式进行电解处理，在金属样品表面生成碳氮共渗改性层。
进一步地，步骤三中复合电解液中尿素的质量分数为10％～40％。
进一步地，步骤三中复合电解液中氯化铵的质量分数为3％～9％。
进一步地，电解处理的工艺条件为：温度为50℃～100℃，电流形式为直流，电流为1A～10A，电压为250V～300V。
进一步地，电解处理的具体操作过程为：在电解开始前，将金属样品与电解液接触面积为1mm2～2mm2，通电后提高电压，放电产生后，将金属样品以1mm/s的速度直至其完全没入电解液中，继续提高电压直至形成辉光放电。
更进一步地，电解处理的具体操作过程为：在电解开始前，将金属样品与电解液接触面积为1mm2～2mm2，通电后提高电压，放电产生后，将金属样品以1mm/s的速度直至其完全没入电解液中，继续提高电压直至形成辉光放电，继续提升电压至280V，电解5min。
上述方法制备的改性层包括碳氮共渗层和扩渗层。
进一步地，碳氮共渗层和扩渗层的碳元素含量高于金属基体的碳元素含量。
进一步地，改性层碳元素的质量分数为0.45％～1.73％，氮元素的质量分数为0％～1.23％。
本发明具有以下有益效果：本发明采用阳极液相等离子体渗透技术制备碳氮共渗复合改性层，改性层是在金属零部件表面电解镀覆一层含有碳、氮化合物等物质的复合涂层，该方法有效提高金属表面的耐磨损性和显微硬度，降低摩擦系数，可应用于航空航天以及舰船制造等领域，可以有效地避免金属零件恶劣环境下因腐蚀、摩擦等因素报废过快，从而减少不必要的损失。
此外，本发明提供的阳极液相等离子体渗透电解所制备的复合改性层具有两个显著的特点：①设备简单，在一个开放的大气环境下，于特定的电解液体系内即可完成的。②试样在完成渗透处理后，可直接在电解液中淬火，完成二次处理，并且在渗透处理过程中，工件的加热率很高，避免了晶粒的生长以及材料性能的恶化，在短时间内便可获得高硬度、耐磨、耐腐蚀的渗透改性层。
且本发明通过尖端小面积区域诱导等离子体放电，解决了电解过程初期，电流过大易过载，以及电解过程中工件热量过高，不利于反应过程控制的问题。
且导电盐溶液氯化铵对抑制阳极氧化的程度起到了一定作用，制备出具有致密性好、显微硬度高、耐磨损、综合性能优良的碳氮共渗复合改性层，很好的解决了传统渗碳、渗氮目前设备昂贵、时间长、效率低等问题。
附图说明
图1为实施例1制备的碳氮共渗改性层截面的SEM照片；
图2为实施例1制备的碳氮共渗改性层表面的SEM照片；
图3为实施例1制备的碳氮共渗改性层EDS能谱图以及各元素百分含量；
图4为不同电解电压下制备的碳氮共渗改性层的横截面显微硬度曲线图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：在45号钢上制备碳氮共渗复合改性层
样品的前处理：将切割好的试样放入碱洗液中，在60℃的水浴锅中碱洗10min，然后取出清洗完成的试样，使用蒸馏水冲洗，烘干。然后使用碳化硅砂纸按照型号#400到#3000的顺序，对除油后的试样由粗到细逐级进行打磨，使样品的表面平整光滑，同时也可去除试样表面的氧化皮、腐蚀层及杂质。当打磨好并更换下一型号砂纸继续打磨之前，都需将试样先旋转90°，再进行打磨，直至本次打磨操作将上一型号砂纸打磨所留下的磨痕痕迹完全覆盖且表面平整。打磨后将试样先用蒸馏水清洗，然后放入盛有乙醇的烧杯中，借助超声波清洗机进行超声波清洗，最后用蒸馏水清洗、丙酮擦拭干净后置于阴凉处风干。
阳极液相等离子体渗透电解处理：将前处理后的试样放入50℃的电解液中作为阳极，不锈钢作为阴极进行电解改性。电解液中的主要成分及含量是尿素(CH4N2O)20wt％，氯化铵(NH4Cl)5wt％，余下物质为去离子水。电解液的制备过程为：将尿素颗粒加入到50℃左右的去离子水中保持恒温搅拌，溶解均匀形成碳氮源溶液。再取氯化铵颗粒加入到去离子水中室温搅拌均匀形成导电盐溶液。将碳氮源溶液与导电盐溶液混合形成复合电解液，并于水浴锅内保持恒温50℃，防止电解质结晶析出。设定工艺参数，稳态电解电压为280V，电解时间5min，电解液温度为50℃，电流形式为直流电流，电解开始初期，试样与电解液接触面积很小为1～2mm2，以利于诱导等离子体放电，通电后缓慢提高电压，放电产生后，试样以1mm/s的速度直至完全没入电解液，继续提高电压直至形成完全的辉光放电，继续提升电压至280V，电解5min。
电解结束，取出电解试件后立即用去离子水冲洗，然后放在无水乙醇中进行超声清洗5min，去离子水冲洗，快速吹干后立即放入干燥箱中。就可以获得耐磨损、摩擦系数低、高硬度的碳氮共渗复合改性层。
然后用扫描电镜对碳氮共渗复合改性层进行形貌分析，如图1所示，改性层主要由两层构成，碳氮共渗层与扩渗层，层与层之间结合紧密，过渡较好。由图2可知，改性层表面出现了不同程度的孔隙，并且无序分布，使表层呈现出坑坑洼洼的迹象。这些孔洞，正是表面局部被击穿，等离子体辉光放电所留下的放电通道。图3为碳氮共渗复合改性层的EDS能谱图，可以看出改性层中大致的元素分布。由其可知镀层中各元素的质量百分数分别为碳1.73％，氮1.23％，氧2.65％。
将电解电压分别设定为260V和300V，其余条件与上述阳极液相等离子体渗透电解处理相同，对获得的碳氮共渗复合改性层在HV-1000IS显微硬度计下测试截面显微硬度的变化，砝码载荷质量为50g，加载时间保持为10s，测试结果如图4所示，由图4可知，经过阳极液相等离子体碳氮共渗处理后，试样表面的显微硬度得到了很大提高。
Claims (6)
1.一种中碳钢表面碳氮共渗改性层的制备方法，其特征在于，该方法的具体操作步骤如下：
步骤一，将尿素颗粒加入到50℃左右的去离子水中，恒温搅拌，形成碳氮源溶液；
步骤二，将氯化铵颗粒加入到去离子水中，室温搅拌，形成导电盐溶液；
步骤三，将步骤一获得的碳氮源溶液和步骤二获得的导电盐溶液混合，并置于50℃水浴锅中，获得复合电解液；
步骤四，将金属样品放入复合电解液作为阳极，不锈钢作为阴极，采用阳极液相等离子体渗透方式进行电解处理，在金属样品表面生成碳氮共渗改性层；
所述的电解处理的具体操作过程为：在电解开始前，将金属样品与电解液接触面积为1mm2～2mm2，通电后提高电压，放电产生后，将金属样品以1mm/s的速度直至其完全没入电解液中，继续提高电压直至形成辉光放电，继续提升电压至280V，电解5min；
所述的电解处理的工艺条件为：温度为50℃～100℃，电流形式为直流，电流为1A～10A。
2.根据权利要求1所述的一种中碳钢表面碳氮共渗改性层的制备方法，其特征在于，所述的复合电解液中尿素的质量分数为10％～40％。
3.根据权利要求1所述的一种中碳钢表面碳氮共渗改性层的制备方法，其特征在于，所述的复合电解液中氯化铵的质量分数为3％～9％。
4.权利要求1所述的方法获得的中碳钢表面碳氮共渗改性层，其特征在于，所述的改性层包括碳氮共渗层和扩渗层。
5.根据权利要求4所述的中碳钢表面碳氮共渗改性层，其特征在于，所述的碳氮共渗层和扩渗层的碳元素含量高于金属基体的碳元素含量。
6.根据权利要求5所述的中碳钢表面碳氮共渗改性层，其特征在于，所述的改性层碳元素的质量分数为0.45％～1.73％，氮元素的质量分数为0％～1.23％。
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