專利名稱：一種在介質(zhì)中電脈沖處理提高鋼表面硬度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在介質(zhì)水溶液中通過對鋼進行電脈沖處理誘發(fā)馬氏體相變，從而提高鋼的表面硬度的方法，屬于鋼表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
馬氏體相變是提高鋼的強度、硬度的廣泛應(yīng)用的方法之一。但對于某些鋼，特別是高合金鋼，由于大量合金元素的加入增大了馬氏體相變的阻力，使馬氏體相變開始溫度Ms降低，甚至遠低于室溫。這些鋼奧氏體化后即使快速冷卻到室溫也不能得到馬氏體組織，因此難于通過馬氏體相變提高強度和硬度。對這類鋼，可通過深冷處理，即冷卻到某一低于Ms的低溫獲得馬氏體強化效果。但某些鋼的馬氏體相變終了溫度Mf遠低于室溫，甚至低于干冰或液氮的溫度，對其進行冷處理后仍會有大量奧氏體殘留，使馬氏體強化效果的發(fā)揮受到限制。低溫處理還會導(dǎo)致鋼的內(nèi)應(yīng)力增大，使工件易于發(fā)生變形和開裂等不良效果。另夕卜，深冷處理還會增高熱處理的成本。對某些Ms雖低于室溫，但接近室溫的鋼，已有形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的處理方法，即通過在Ms溫度以上的特定溫度對鋼進行塑性變形，通過提供機械驅(qū)動力使鋼的馬氏體相變開始溫度提高到Md，因而在室溫下也能獲得馬氏體強化效果。但這種方法改變了鋼的形狀，不能在工件機械加工成型后應(yīng)用。實際上，通過增大鋼的表面馬氏體量提高鋼的表面硬度在工業(yè)上具有特殊意義。因為摩擦、磨損都是在工件表面發(fā)生，提高表面硬度因此成為提高工件耐磨損壽命的有效方法。而且，僅在表面形成馬氏體，內(nèi)部不生成馬氏體，可以在提高耐磨性的同時不發(fā)生整體的塑性、韌性降低。工業(yè)上已經(jīng)廣泛采用的表面馬氏體相變的方法有火焰加熱表面淬火、高頻表面淬火等?；鹧婕訜岜砻娲慊鹨话闶鞘止げ僮?，一般只適合單件小批量的生產(chǎn)。手工操作還存在不易控制、重現(xiàn)性差、對操作者的技術(shù)要求較高等缺陷。高頻表面淬火需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備。而且這兩種方法表面均經(jīng)過高溫加熱，在獲得馬氏體提高表面硬度的同時易引起表面與內(nèi)部之間的殘余內(nèi)應(yīng)力。對某些Ms雖低于室溫，但接近室溫的鋼，也可以通過陰極充氫的方法獲得表面馬氏體。即將鋼置于特定的水溶液中作為陰極，施加適當(dāng)?shù)年帢O電壓使水電解出氫原子并從鋼的表面向內(nèi)部擴散，從而誘發(fā)表面馬氏體相變。這種方法雖然能獲得表面馬氏體，但只有在溶液中加入劇毒的As2O3才能獲得較好的相變效果，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。而且由于鋼表面存在大量的氫，還可能引起氫脆?；诖?，對鋼表面馬氏體相變處理方法的改進具有工業(yè)價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種鋼的表面處理方法，通過如下技術(shù)方案提高鋼的表面硬度而不改變其內(nèi)部的相結(jié)構(gòu)和性能。一種在介質(zhì)中電脈沖處理提高鋼表面硬度的方法，其特征在于，包括以下步驟將含有奧氏體的不銹鋼置于特定電解質(zhì)水溶液中作為工作電極，在特定電解質(zhì)水溶液中加入一輔助電極，將工作電極和輔助電極分別連接到一輸出電位和正負極都可進行調(diào)節(jié)的電源上，電源輸出正、負極交替變化的電脈沖，使不銹鋼和輔助電極分別交替成為陽極和陰極，從而使鋼的表面發(fā)生馬氏體相變，提高鋼的表面硬度。上述電解質(zhì)水溶液為Na2Si03、Na2CO3或NaOH的水溶液；其中Na2SiO3的濃度為
O.05M-飽和，優(yōu)選O. 1M-1M ；Na2CO3的濃度為O. IM-飽和，優(yōu)選O. 5M-飽和；NaOH的濃度為
O.01-5M,優(yōu)選 O. 01M-1M,更優(yōu)選 O. IM-IM0上述所用電源的陰極電壓優(yōu)選低于介質(zhì)中的析氫電位，更優(yōu)選析氫電位以下
O.2V-2. 0V;由于一般情況下在陽極或多或少會發(fā)生腐蝕，為了使腐蝕更少，更明顯地體現(xiàn)由于馬氏相變使硬度增加，本發(fā)明陽極電壓隨介質(zhì)和電脈沖陽極部分的處理時間改變，需通過試驗調(diào)整到處理后表面不發(fā)生明顯腐蝕，優(yōu)選自腐蝕電位以上O. 3-1. 0V。輔助電極輔助電極為惰性電極，如鉬、石墨、銅、銀等。含有奧氏體的不銹鋼為鋼的原始組織狀態(tài)，可以是奧氏體，也可以是奧氏體和馬氏體的混合。電源輸出的電脈沖頻率低于1Hz，脈沖的一個周期內(nèi)的陽極部分和陰極部分的時間可以相等或不相等，電脈沖處理溫度在20-100° C，電脈沖處理的溫度優(yōu)選50-90° C。電脈沖處理到一定時間后，馬氏體相變量不再明顯增多，一般處理時間為2-48h，優(yōu)選4-12h。本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果本發(fā)明提供的鋼表面處理方法表面不經(jīng)過高溫加熱，因此處理后表面與內(nèi)部不會形成較大的內(nèi)應(yīng)力。本發(fā)明提供的處理方法雖然采用某些介質(zhì)，但不需要劇毒介質(zhì)，杜絕了陰極充氫獲得馬氏體的表面強化方法對環(huán)境的嚴(yán)重污染。本發(fā)明提高鋼表面硬度的處理方法是一種表面相變，僅在表面獲得馬氏體，從而使硬度提高，不改變工件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，因此不會導(dǎo)致工件整體經(jīng)馬氏體相變硬化后的塑性和韌性降低。


圖I為本發(fā)明實施例采用的電脈沖處理裝置示意圖；圖2為本發(fā)明實施例I電脈沖處理前后試樣的X射線衍射圖譜；圖3為本發(fā)明實施例I電脈沖處理前后試樣表面硬度測試結(jié)果。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。以下實施例僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不作為對本發(fā)明的限制。實施例I用D/max 2500型X射線衍射儀對封裝好的試樣進行X射線衍射測試分析試樣的相組成，測試條件為=Cu-Ka輻射，管電壓40KV，管電流200mA，掃描方式為連續(xù)描，掃描速度為5° /min，步長為0.01°，2Θ掃描范圍為30° -100°。用ΗΧΖ-1000型顯微硬度計測量試樣表面的硬度，測試載荷500g，保載時間12s，每個樣品測量5個位置取5次的平均 值為硬度值。在80±1° C在所用的電脈沖處理介質(zhì)中測試所處理的鋼的自腐蝕電位。所用儀器為Autolab型電化學(xué)工作站，用動電位掃描法。掃描范圍為_200mV (相對于開路電位)至Il發(fā)生過鈍化現(xiàn)象，對于不能發(fā)生鈍化現(xiàn)象的體系到+0. 4V(相對于飽和甘汞電極)，掃描速率為100mV/min。對本實施例，測得的自腐蝕電位為-O. 11IV (相對于飽和甘汞電極)。將厚度為I. 4mm的17-7PH型不銹鋼(化學(xué)成分為<0. 09_wt%C，( I. 0_wt%Si，16-18wt%Cr, 6. 5-7. 75-wt%Ni, ( I. 0-wt%Mn, 0. 75-1. 5wt%Al, ( 0. 030wt%S, ( 0. 035-wt%P, Fe余量)制成10X10X1.4 (mm)的試樣，在一面釬焊包皮銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂將焊點和五個表面密封，僅露出10X10(mm)的不銹鋼工作面積。取分析純Na2SiO3用去離子水配制成IM的水溶液置于四口燒瓶中，將帶有鹽橋的飽和甘汞電極作為參比電極插于中間口，左右兩口分別插入環(huán)氧樹脂封裝好的17-7PH型不銹鋼試樣作為工作電極和鉬絲作為輔助電極。不銹鋼工作表面正對鹽橋端部，距離2mm 左右，四口燒瓶的另一口接冷凝管，使處理過程中蒸發(fā)的水分回流，以保持處理過程中不因水分蒸發(fā)使溶液濃度發(fā)生劇烈變化。將三個電極分別接在CS300UA型電化學(xué)工作站上。處理裝置如圖I所示。將整個裝置置于水浴中控制處理溫度。打開CS300UA型電化學(xué)工作站進行陰、陽極交變的電脈沖處理，處理條件為處理溫度80° C±l° C，電脈沖陰極電位為-1.40V (相對于飽和甘汞電極)，陽極電位+0. 20V(相對于飽和甘汞電極)，每個周期陰極時間為280s，陽極時間為20s，總處理時間5h。將處理過的試樣從處理裝置中取出，用水沖洗干凈并晾干，用前述方法對表面進行X射線衍射和硬度測試。處理前后試樣的X射線衍射譜如圖2所示。圖2表明處理前后都有奧氏體和馬氏體的多個特征衍射峰存在，說明處理前后都是奧氏體和馬氏體的混合組織。但是處理前后奧氏體和馬氏體的特征峰的相對衍射強度有明顯變化。以最強衍射峰奧氏體的A(220)晶面的衍射強度為100，處理前馬氏體的M{110}晶面的衍射強度為25. 9，而處理后馬氏體的M{110}晶面的衍射強度為89. 1，即處理后馬氏體M{110}晶面的衍射峰相對強度提高到處理前的3. 4倍，說明處理后馬氏體明顯增多，奧氏體明顯減少，通過處理使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體。處理前后的試樣表面顯微硬度如圖3所示，可見表面硬度從處理前的Hv401提高到Hv482。結(jié)合X射線衍射測試結(jié)果可知，表面硬度提高的原因是高硬度的馬氏體相增多的結(jié)果。實施例2采用與實施例I相同的方法制備試樣并進行電脈沖處理前后的硬度和馬氏體含量的檢測。用與實施例I相同的方法進行電脈沖處理，不同之處在于處理介質(zhì)為O. OlM的NaOH溶液和O. 5M的NaOH溶液。采用與實施例I相同的方法測得在O. OlM的NaOH溶液和O. 5M的NaOH溶液中所采用的不銹鋼的自腐蝕電位分別為-O. 394V和-O. 328V (相對于飽和甘汞電極)。對濃度分別為O. 01M、0. 5M的兩種NaOH溶液，確定電脈沖處理陰極電位為-I. 40V,陽極電位為+0. IOV。當(dāng)NaOH水溶液濃度為O. OlM時，X射線衍射分析表明處理前后奧氏體和馬氏體的特征峰的相對衍射強度有變化。以最強衍射峰奧氏體的A(220)晶面的衍射強度為100，處理前馬氏體的M{110}晶面的衍射強度為32. 6，而處理后馬氏體的M{110}晶面的衍射強度為35. 3，即處理后馬氏體M{110}晶面的衍射峰相對強度提高到處理前的I. 08倍，說明處理后馬氏體增多，奧氏體減少，通過處理使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體。硬度測試表明處理前的表面硬度為Hv397，處理后的表面硬度為Hv398。
當(dāng)NaOH水溶液濃度為O. 5M時，X射線衍射分析表明處理前后奧氏體和馬氏體的特征峰的相對衍射強度有變化。以最強衍射峰奧氏體的A(220)晶面的衍射強度為100，處理前馬氏體的M{110}晶面的衍射強度為28. 1，而處理后馬氏體的M{110}晶面的衍射強度為37. 9，即處理后馬氏體M{110}晶面的衍射峰相對強度提高到處理前的I. 35倍，說明處理后馬氏體明顯增多，奧氏體明顯減少，通過處理使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體。硬度測試表明處理前的表面硬度為Hv394，處理后的表面硬度為Hv417，表面硬度明顯提高。NaOH濃度為O. OlM時處理前后表面硬度幾乎未發(fā)生變化，說明該濃度下較少的馬 氏體相變量不足以引起硬度的明顯變化。NaOH濃度為O. 5M時處理后表面硬度明顯提高，說明該濃度下的馬氏體相變量足以引起硬度的明顯變化，硬度提高的原因是電脈沖處理導(dǎo)致的馬氏體相變。
權(quán)利要求
1.一種在介質(zhì)中電脈沖處理提高鋼表面硬度的方法，其特征在于，包括以下步驟將含有奧氏體的不銹鋼置于解質(zhì)水溶液中作為工作電極，在電解質(zhì)水溶液中加入一輔助電極，將工作電極和輔助電極分別連接到一輸出電位和正負極都可進行調(diào)節(jié)的電源上，電源輸出正、負極交替變化的電脈沖，使不銹鋼和輔助電極分別交替成為陽極和陰極，從而使鋼的表面發(fā)生馬氏體相變，提高鋼的表面硬度；上述電解質(zhì)水溶液為Na2Si03、Na2CO3或NaOH的水溶液，其中Na2SiO3的濃度為O. 05M-飽和，Na2CO3的濃度為O. IM-飽和，NaOH的濃度為O. 01-5M。
2.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，Na2SiO3的濃度為O.1M-1M，Na2CO3的濃度為O. 5M-飽和；NaOH 的濃度為 O. 01M-1M。
3.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，NaOH的濃度為O.1M-1M。
4.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所用電源的陰極電壓低于介質(zhì)中的析氫電位；所用電源的陽極電壓在自腐蝕電位以上O. 3-1. OV。
5.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，陰極電壓在析氫電位以下O.2V-2. 0V。
6.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，輔助電極為惰性電極。
7.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，含有奧氏體的不銹鋼為鋼的原始組織狀態(tài)，是奧氏體或是奧氏體和馬氏體的混合。
8.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，電源輸出的電脈沖頻率低于IHz,脈沖的一個周期內(nèi)的陽極部分和陰極部分的時間相等或不相等。
9.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，電脈沖處理溫度在20-100°C，處理時間為2-48h。
10.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，電極脈沖處理的溫度優(yōu)選50-90°C，處理時間為4_12h。
全文摘要
一種在介質(zhì)中電脈沖處理提高鋼表面硬度的方法，屬于鋼表面處理技術(shù)領(lǐng)域。將含有奧氏體的不銹鋼置于電解質(zhì)水溶液中作為工作電極，在電解質(zhì)水溶液中加入一輔助電極，將工作電極和輔助電極分別連接到一輸出電位和正負極都可進行調(diào)節(jié)的電源上，電源輸出正、負極交替變化的電脈沖，使不銹鋼和輔助電極分別交替成為陽極和陰極，從而使鋼的表面發(fā)生馬氏體相變，提高鋼的表面硬度；上述電解質(zhì)水溶液為Na2SiO3、Na2CO3或NaOH的水溶液。本發(fā)明僅在表面獲得馬氏體從而使硬度提高，不改變工件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，不會導(dǎo)致工件整體經(jīng)馬氏體相變硬化后的塑性和韌性降低。
文檔編號C21D1/09GK102643959SQ20121014893
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者劉景軍, 吉靜, 李力, 李志林, 王峰, 王建軍, 覃事永 申請人:北京化工大學(xué), 藍星(北京)化工機械有限公司