一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解硼碳共滲的溶液及硼碳共滲方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解硼碳共滲的溶液及硼碳共滲方法，是屬于鋼鐵表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種硼碳二元共滲方法。溶液組分按質(zhì)量百分比計(jì)算，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％。將鋼鐵樣品放入溶液并作為陰極，石墨材料作為陽(yáng)極，在室溫條件下對(duì)兩極施加電壓至200-500V，處理5min-50min，可得到厚度為15μm-80μm硼碳共滲層。硼碳共滲層的硬度為1500HV-2000HV，比鋼基體提高8-12倍，同時(shí)摩擦系數(shù)和磨損率分別降為鋼基體的1/3-1/5和1/12-1/20。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(wú)后處理，工藝簡(jiǎn)單，工件變形小，降低了成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解硼碳共滲的溶液及硼碳共滲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼鐵表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種等離子體電解硼碳二元共滲的溶液和方法，經(jīng)處理過(guò)的鋼鐵材料可提高其耐磨性能。
【背景技術(shù)】
[0002]一般鋼鐵材料特別是低碳鋼的硬度較低，摩擦系數(shù)大，耐磨性差。表面改性是提高鋼鐵耐磨性能的有效方法，常見(jiàn)方法包括表面熱處理，熱噴涂，氣相沉積，滲碳，滲氮及碳氮共滲等。表面滲硼是一種金屬表面強(qiáng)化的化學(xué)熱處理方法，通過(guò)向鋼鐵和合金滲入硼元素以獲得鐵的硼化物。滲硼層硬度大大高于滲碳、滲氮層，并且滲硼層還具有較高的抗腐蝕性能，這使得鋼鐵工件使用壽命大幅度提高，廣泛應(yīng)用于各種耐磨、耐蝕件的處理。通常采用固相、液相、氣相三種滲入工藝，氣相滲硼劑以氫為載體，以三氯化硼(BCl3)和乙硼烷(B2H6)作為滲劑，它們價(jià)格高、劇毒、易爆，必須配有專(zhuān)用滲硼設(shè)備，且工藝復(fù)雜。粉末固體滲硼是將工件埋在密封的滲硼粉末或顆粒介質(zhì)中，滲硼層形成速度較慢，不易清洗，成本較高。目前各種滲硼方法都是在900~950°C范圍內(nèi)進(jìn)行，滲硼溫度高，處理時(shí)間長(zhǎng)，工件變形大。另一方面，滲硼層雖然硬度很高，但脆性較大，容易出現(xiàn)裂紋。采用硼碳共滲處理可以降低滲硼層脆性。專(zhuān)利CN85100597和200810242411.6就是在鋼鐵表面用氣相滲硼得到滲硼層的工藝方法。
[0003]液相等離子體電解快速硼碳共滲是一種新型的鋼鐵表面改性技術(shù)。該技術(shù)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(yáng)極。隨著施加電壓的升高，反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體，形成了使電解液和電極表面隔離的氣膜。氣膜達(dá)到擊穿電壓后發(fā)生擊穿反應(yīng)，在鋼鐵樣件表面產(chǎn)生弧光放電，形成等離子體鞘層。產(chǎn)生的等離子體中含有大量硼、碳活性粒子，在高電場(chǎng)作用下，它們轟擊鋼鐵表面，形成復(fù)雜化合物，并在局部高溫高壓作用下向鋼鐵內(nèi)部快速擴(kuò)散，在短時(shí)間內(nèi)即可獲得高硬度、耐磨、耐蝕的硼碳共滲層；同時(shí)由于電解液的冷卻作用，工件變形小。這些特征使得鋼鐵等離子體電解快速硼碳共滲工藝具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供一種新型環(huán)保的鋼鐵液相等離子體電解硼碳共滲電解液及工藝方法。它是在特定的電解液中進(jìn)行，工件整體受熱輕微。在短時(shí)間內(nèi)可以在鋼鐵表面制備均勻致密的硼碳共滲層，硬度達(dá)到1500HV-2000HV。本發(fā)明處理時(shí)間短，節(jié)能環(huán)保，設(shè)備簡(jiǎn)單，工件變形小，無(wú)需后處理，該電解液幾乎適合所有型號(hào)鋼材的硼碳共滲表面處理。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體如下:
[0006]本發(fā)明所述用于鋼鐵等離子體電解硼碳共滲的電解液組分及各組分按質(zhì)量百分比為為: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%。
[0007]在上述溶液中對(duì)鋼鐵表面等離子體電解硼碳共滲的方法如下:將鋼鐵樣品放入溶液并作為陰極，石墨材料作為陽(yáng)極，在室溫條件下對(duì)兩極施加電壓至200V-500V，處理5min-50min,即可得到厚度為15 μ m-80 μ m，硬度為1500HV-2000HV的硼碳共滲層。
[0008]實(shí)踐證明，本發(fā)明能在很短時(shí)間內(nèi)在鋼鐵表面制備出硼碳二元共滲層，滲層具有均勻致密，與基體結(jié)合緊密，硬度顯著提高，耐磨損性能好的顯著特點(diǎn)，從而提高了鋼鐵的綜合使用壽命。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)為:硼碳共滲層生長(zhǎng)速度快，滲層硬度高，工件變形小，共滲前不需要去除鈍化膜，共滲時(shí)間短，設(shè)備簡(jiǎn)單，沒(méi)有后處理，成本低廉。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0009]附圖1為Q235低碳鋼等離子體電解硼碳共滲層截面的金相照片。
【具體實(shí)施方式】
[0010]根據(jù)本發(fā)明所述的電解液體系，配置了幾種配方的電解液，并采用本發(fā)明所提供的等離子體電解硼碳共滲工藝方法，對(duì)Q235低碳鋼基體進(jìn)行快速等離子體電解硼碳共滲處理。測(cè)量了 Q235低碳鋼基體及不同條件下得到的硼碳共滲層的厚度、顯微硬度、摩擦系數(shù)和磨損率。結(jié)合本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步提供以下實(shí)施例:
[0010]實(shí)施例1
[0011]樣品為Q235低碳鋼，表面硬度為171HV。往電解槽中加入3L去離子水、4200g硼砂、800g碳酸氫鈉、800g硫酸鈉和280g氯化鉀，再加入1.5L甘油，并不斷攪拌，直到完全溶解。將Q235低碳鋼樣品放入配制的液相等離子體電解液中，以Q235低碳鋼樣品作為陰極，石墨材料作為陽(yáng)極，加電壓至400V，進(jìn)行硼碳共滲處理30min，即可得到厚度為60 μ m的硼碳共滲層，硬度為1870HV。將此工件記為SI。
[0012]實(shí)施例2
[0013]樣品為Q235低碳鋼，表面硬度為171HV。往電解槽中加入3L去離子水，2500g硼砂，650g碳酸氫鈉、650g硫酸鈉和350g氯化鉀，再加入IL甘油，并不斷攪拌,直到完全溶解。將Q235低碳鋼樣品放入配制的液相等離子體電解液中，以Q235低碳鋼樣品作為陰極，石墨材料作為陽(yáng)極，加電壓至250V，進(jìn)行硼碳共滲處理30min，即可得到厚度為30 μ m的硼碳共滲層，硬度為1540HV。將此工件記為S2。
[0014]實(shí)施例3
[0015]樣品為Q235低碳鋼，表面硬度為171HV。往電解槽中加入3L去離子水、3000g硼砂、100g碳酸氫鈉、100g硫酸鈉和350g氯化鉀，再加入2L甘油，并不斷攪拌，直到完全溶解。將Q235低碳鋼樣品放入配制的液相等離子體電解液中，以Q235低碳鋼樣品作為陰極，石墨材料作為陽(yáng)極，加電壓至350V，進(jìn)行硼碳共滲處理30min，即可得到厚度為40 μ m的硼碳共滲層，硬度為1650HV。將此工件記為S3。
[0016]實(shí)施例4
[0017]對(duì)實(shí)施例1制得的Q235低碳鋼樣品工件SI進(jìn)行如下的性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表I所示。
[0018](I)硼碳共滲層厚度測(cè)量
[0019]切割SI樣品并用電木粉鑲樣，打磨拋光后，使用型號(hào)為Zeiss image A2m的金相顯微鏡觀察硼碳共滲層的截面形貌，并測(cè)量硼碳共滲層的厚度，取六個(gè)點(diǎn)的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(jì)測(cè)量SI試樣截面硼碳共滲層硬度，取六個(gè)點(diǎn)的平均值為硼碳共滲層的顯微硬度。
[0022](3)摩擦系數(shù)
[0023]用砂紙將SI樣品表面疏松層打磨掉，使用HT-1000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行常溫下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。選擇直徑為5mm的ZrO2球作為摩擦副，并設(shè)定轉(zhuǎn)速為每秒300轉(zhuǎn)，磨痕直徑d為10mm，載荷G為500g，摩擦持續(xù)時(shí)間t為lOmin，最后得到SI樣品表面的摩擦系數(shù)，該系數(shù)為平均值。
[0024](4)磨損率
[0025]利用北京時(shí)代TR200粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量上述(3)中得到的SI樣品的磨痕形貌，計(jì)算出磨痕的寬度，深度和截面積S，并由公式:v = S/(300tG)計(jì)算出磨損速率V，以此來(lái)判斷滲層的耐磨性能。
[0026]實(shí)施例5-6
[0027]按照實(shí)施例4的方法對(duì)實(shí)施例2和實(shí)施例3處理得到的S2和S3樣品進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果如表1所示。
[0028]實(shí)施實(shí)例7
[0029]按照實(shí)施例4的方法對(duì)未經(jīng)等離子體電解硼碳共滲處理的Q235低碳鋼基體進(jìn)行性能測(cè)試，以便對(duì)比分析鋼鐵試樣在經(jīng)等離子體電解硼碳共滲處理前后的性能差異。結(jié)果如表1所示。
[0030]表1:不同溶液配比及不同電壓對(duì)Q235低碳鋼基體進(jìn)行等離子體電解硼碳共滲處理的性能測(cè)試結(jié)果
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解硼碳共滲的電解液，溶液組分按質(zhì)量百分比計(jì)算，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%。
2.一種鋼鐵表面快速等離子體電解硼碳共滲處理的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、配制權(quán)利1要求的等離子體電解硼碳共滲電解液； 步驟二、對(duì)待處理的鋼鐵材料進(jìn)行表面清洗和預(yù)處理:用360#-1200#砂紙對(duì)鋼鐵表面進(jìn)行打磨，并去除表面的油污； 步驟三、等離子體電解硼碳共滲處理:將鋼鐵工件完全浸泡在裝有權(quán)利要求1所述電解液的電解槽中并作為陰極，石墨材料作為陽(yáng)極。在室溫條件下對(duì)兩極施加電壓至200V-500V,處理5min-50min，硼碳共滲層厚度可達(dá)到15-80 μ m,硬度為1500HV-2000HV。
【文檔編號(hào)】C23C8/38GK104131249SQ201310158669
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月3日
【發(fā)明者】薛文斌, 王彬, 吳杰, 金小越, 杜建成, 華銘 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)