鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于鋼鐵表面改性熱處理工藝技術領域，具體為一種用于鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理方法。方法步驟為：(1)將鋼鐵樣品放入滲碳溶液并作為陰極，石墨材料作為陽極，在室溫條件下對兩極施加電壓至220V?400V，處理3min?15min，可得到厚度為15μm?90μm滲碳層。(2)將滲碳處理過的樣品作為陰極放入硼碳共滲溶液，石墨作為陽極，對兩極施加電壓至200V?500V，處理10min?30min，可得到厚度為20μm?100μm硼碳共滲層。利用此復合處理方法得到的硼碳共滲層的硬度可以達到1500HV?2400HV，比鋼基體提高10?15倍，耐磨性和耐用性得到大幅度提高。同時摩擦系數和磨損率分別降為鋼基體的1/5?1/8和1/21?1/25。等離子體電解硼碳共滲處理顯著提高了鋼鐵的耐摩擦磨損性能。該工藝無后處理，工藝簡單，工件變形小，降低了成本。
【專利說明】
鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理方法， 屬于鋼鐵表面改性熱處理工藝技術領域。
【背景技術】
[0002] -般鋼鐵材料在實際應用中需要具有良好的潤滑耐磨性能。表面滲硼是一種金 屬表面強化的化學熱處理方法，是一種通過向鋼鐵和合金滲入硼元素以獲得鐵的硼化物， 提高鋼鐵耐磨性能的有效方法。滲硼層具有較高的硬度，良好的耐磨性，并且滲硼層還具 有較高的抗腐蝕性能，這使得滲硼工藝被廣泛應用于各種工具模具及耐磨工件的熱處理 上。然而由于滲硼層硬度高，一般可以達到1000HV-2000HV，比鋼基體硬度高很多倍，所以 滲硼層通常脆性大，在長時間使用后容易從工件表面剝落?，F有的滲硼工藝通常具用滲 劑價格高、毒性大、易爆，工藝復雜，成本較高等問題，而且通常為了得到較好滲層組織和 性能，往往需要較長的加熱處理時間，效率不高，并且工件容易變形。專利CN85100597和 200810242411. 6就是在鋼鐵表面用傳統(tǒng)滲硼方法得到滲硼層的工藝方法。
[0003] 液相等離子體電解滲是一種新型的鋼鐵表面改性技術。在特定的電解液中，以被 處理的鋼鐵材料作為陰極，惰性材料石墨作為陽極。滲入機制為隨著施加電壓的升高，反應 產生大量的氣體，形成使電解液和電極表面隔離的氣膜。氣膜達到擊穿電壓后發(fā)生擊穿反 應，在鋼鐵樣件表面產生弧光放電，形成等離子體鞘層。產生的等離子體中含有大量硼、碳 活性粒子，在高電場作用下，它們轟擊鋼鐵表面，形成復雜化合物，并在局部高溫高壓作用 下向鋼鐵內部快速擴散，在短時間內即可獲得高硬度、耐磨、耐蝕的滲層。
[0004] 由于硼在純鐵中固溶度非常小，滲硼處理時滲層生長速度較慢，并且滲硼層與鐵 基體間硬度相差很大，影響滲層結合力。隨著鋼鐵中碳濃度提高，硼元素在鋼鐵中固溶度也 相應增加。通過對鋼鐵表面先進行滲碳預處理，以提高鋼鐵表層的碳濃度，從而明顯提升硼 元素在鋼鐵中擴散速度，使?jié)B硼速度大幅提升，而且由于先形成的滲碳層可以降低硬度較 高的滲硼層與鐵基體之間的硬度梯度，提高了滲層的結合力。另外由于電解液冷卻使工件 變形小。這些優(yōu)點使得先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理工藝具有重要的應用價 值。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明提供一種用于鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理方 法。它是先在特定的滲碳電解液中，短時間內可以在鋼鐵表面制備均勻的滲碳層，厚度為 15 μ m-30 μ m。再將滲碳處理的樣品進行硼碳共滲處理，得到厚度為20 μ m-40 μ m，硬度達到 1500HV-2400HV的滲硼層。利用此復合處理方法得到較厚的硼碳共滲層，硬度梯度平緩，有 效避免高硬度滲層的剝落。本發(fā)明節(jié)能環(huán)保，設備簡單，工件變形小，無需后處理，該電解液 幾乎適合所有型號鋼材的復合表面處理。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，具體如下：
[0007] 本發(fā)明所述用于鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的電解液組分及各組 分按質量百分比為為：（1)滲碳電解液：甘油50-80%，碳酸鈉5-10%，氯化納1-3%，去離 子水10-40%。（2)硼碳共滲電解液：硼砂25-50%，甘油10-30%，碳酸氫鈉5-15%，硫酸 鈉5-15 %，氯化鉀2-5 %，去離子水20-50 %。
[0008] 在上述溶液中對鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的方法如下：（1)將 鋼鐵樣品放入滲碳溶液并作為陰極，石墨材料作為陽極，在室溫條件下對兩極施加電壓至 220V-400V，處理3min-15min，可得到厚度為15 μ m-90 μ m的滲碳層。（2)將滲碳處理過的 樣品作為陰極放入硼碳共滲溶液里，石墨作為陽極，對兩極施加電壓至200 V-500 V，處理 10min-30min，可得到厚度為20 μ m-100 μ m，硬度為1800HV-2400HV的滲硼層。
[0009] 本發(fā)明通過在鋼鐵表面先滲碳預處理，再進行硼碳共滲，可以明顯提高滲硼速率， 并降低滲硼層與基體的硬度梯度，使?jié)B層與鋼鐵基體能夠緊密結合。制備的硼碳二元共滲 層，具有均勻致密，硬度明顯提高，耐磨損性能好的顯著特點，從而提高了鋼鐵的綜合使用 壽命。本發(fā)明的優(yōu)勢為：硼碳共滲層生長速度快，滲層硬度高，工件變形小，共滲時間短，設 備簡單，沒有后處理，成本低廉。
【附圖說明】
[0010] 附圖1為Q235低碳鋼先等離子體電解滲碳再硼碳共滲得到的硼碳共滲層截面的 金相照片。
[0011] 附圖2為Q235低碳鋼先等離子體電解滲碳再硼碳共滲得到的硼碳共滲層截面硬 度分布曲線。
【具體實施方式】
[0012] 根據本發(fā)明所述的電解液體系，配置了相應配方的電解液，并采用本發(fā)明所提供 的等離子體電解復合共滲工藝方法，對Q235低碳鋼進行先等離子體電解滲碳再硼碳共滲 處理。測量了 Q235低碳鋼基體及復合處理得到的硼碳共滲層的厚度、顯微硬度、摩擦系數 和磨損率。結合本發(fā)明的技術方案進一步提供以下實施例：
[0013] 實施例1
[0014] (1)工件前處理：工件選為Q235低碳鋼，表面硬度為171HV，處理尺寸為 55mmX 16mmX 1. 5mm。將工件用酒精清洗并干燥。
[0015] (2)等離子體電解滲碳預處理：往電解槽中加入1L甘油，800ml去離子水，再加入 140g碳酸鈉和91g氯化鈉，并不斷攪拌，直到完全混合均勻。將Q235低碳鋼樣品放入配制 的液相等離子體滲碳電解液中，以Q235低碳鋼樣品作為陰極，石墨材料作為陽極，加電壓 至320V，進行滲碳處理lOmin，即可得到厚度為80 μ m的滲碳層，硬度為820HV。將此工件記 為S1。
[0016] (3)等離子體電解硼碳共滲：往電解槽中按順序加入2L去離子水，900ml甘油， 1400g硼砂，390g碳酸氫鈉、390g硫酸鈉和280g氯化鉀，并不斷攪拌，直到完全溶解。將滲 碳預處理制得的Q235低碳鋼工件S1樣品放入配制的等離子體硼碳共滲電解液中并作為陰 極，石墨材料作為陽極，加電壓至400V，進行硼碳共滲處理15min，即可得到厚度為70 μ m的 硼碳共滲層，表面硬度為2350HV。將此工件記為S2。
[0017] 對實施例1制得的Q235低碳鋼樣品工件S2進行如下的性能測試，測試結果如表 1所示。
[0018] (1)滲硼層厚度測量
[0019] 切割S2樣品并用電木粉鑲樣，打磨拋光后，使用型號為Zeiss image A2m金相顯 微鏡觀察滲硼層的截面形貌，并測量硼碳共滲層的厚度，取六個點平均值作為滲層的厚度 值。
[0020] (2)顯微硬度
[0021 ] 使用HX-1000TM維氏顯微硬度計測量S2試樣截面硼碳共滲層表面的硬度，取六個 點的平均值為滲硼層的顯微硬度。
[0022] (3)摩擦系數
[0023] 使用HT-1000摩擦磨損試驗機對S2樣品進行常溫下的摩擦磨損實驗。選擇直徑為 5mm的Zr0 2球作為摩擦副，并設定轉速為每秒300轉，磨痕直徑d為10mm，載荷G為500g， 摩擦持續(xù)時間t為10 min，最后得到S2樣品表面的摩擦系數，該系數為平均值。
[0024] (4)磨損率
[0025] 利用北京時代TR200粗糙度測量儀測量上述（3)中得到的S2樣品的磨痕形貌，計 算出磨痕的寬度，深度和截面積S，并由公式：v = SA300tG)計算出磨損速率V，以此來判 斷滲層的耐磨性能。
[0026] 實施例2
[0027] 按照實施例1的方法對未經復合處理的Q235低碳鋼基體進行性能測試，以便對比 分析鋼鐵試樣在經復合處理前后的性能差異。結果如表1所示。
[0028] 表1 :Q235低碳鋼基體與先等離子體電解滲碳再硼碳共滲復合處理樣品的性能測 試結果
[0029]
[0030] 表1為本發(fā)明實施例在適當溶液配比及電壓條件下對Q235低碳鋼基體和先等離 子體電解滲碳再硼碳共滲復合處理樣品的性能測試結果。從表1可知，本實施例中的電解 液及先等離子體電解滲碳再硼碳共滲復合處理工藝方法對Q235鋼基體進行表面處理后， 顯微硬度增加到鋼基體的14倍、摩擦系數和磨損率分別降為鋼基體的1/6和1/23。因此， 本發(fā)明的先等離子體電解滲碳再硼碳共滲復合處理工藝可以大幅度提高鋼鐵的摩擦磨損 性能，從而可以提1?鋼鐵的綜合使用壽命。
[0031] 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據本發(fā)明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種鋼鐵表面先等離子體電解滲碳再硼碳共滲的復合處理方法，其特征在于具有以 下的工藝過程和步驟： a. 等離子體電解滲碳預處理：將鋼鐵工件完全浸泡在裝有滲碳電解液的電解槽中并 作為陰極，石墨材料作為陽極。滲碳電解液配比為：甘油50-80%，碳酸鈉5-10%，氯化納 1-3%，去離子水10-40%。在室溫條件下對兩極施加電壓至22(^-40(^，處理51^11-151^11， 滲碳層厚度可達到15 μ m-90 μ m。 b. 等離子體電解硼碳共滲處理：將滲碳處理過的樣品完全浸泡在裝有硼碳共滲電解 液的電解槽中并作為陰極，石墨材料作為陽極。硼碳共滲電解液配比為：硼砂25-50%，甘 油10-30%，碳酸氫鈉5-15%，硫酸鈉5-15%，氯化鉀2-5%，去離子水20-50 %。在室溫條 件下對兩極施加電壓至200V-500V，處理10min-30min，滲硼層厚度可達到20μπι-100μπι。
【文檔編號】C23C8/34GK105887001SQ201410592306
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年10月30日
【發(fā)明人】薛文斌, 王彬, 劉潤, 吳杰, 杜建成, 張亦凡
【申請人】北京師范大學