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(guò)對(duì)鋼進(jìn)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(qiáng)度、硬度的廣泛應(yīng)用的方法之一。但對(duì)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(yuǎn)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(guò)馬氏體相變提高強(qiáng)度和硬度。對(duì)這類鋼，可通過(guò)深冷處理，即冷卻到某一低于Ms的低溫獲得馬氏體強(qiáng)化效果。但某些鋼的馬氏體相變終了溫度Mf遠(yuǎn)低于室溫，甚至低于干冰或液氮的溫度，對(duì)其進(jìn)行冷處理后仍會(huì)有大量奧氏體殘留，使馬氏體強(qiáng)化效果的發(fā)揮受到限制。低溫處理還會(huì)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(huì)增高熱處理的成本。對(duì)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(guò)在Ms溫度以上的特定溫度對(duì)鋼進(jìn)行塑性變形，通過(guò)提供機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(qiáng)化效果。但這種方法改變了鋼的形狀，不能在工件機(jī)械加工成型后應(yīng)用。實(shí)際上，通過(guò)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?yàn)槟Σ?、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(shí)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鳎话阒贿m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(duì)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(guò)高溫加熱，在獲得馬氏體提高表面硬度的同時(shí)易引起表面與內(nèi)部之間的殘余內(nèi)應(yīng)力。對(duì)某些Ms雖低于室溫，但接近室溫的鋼，也可以通過(guò)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(kuò)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(lái)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(duì)鋼表面馬氏體相變處理方法的改進(jìn)具有工業(yè)價(jià)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(guò)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(fù)極都可進(jìn)行調(diào)節(jié)的電源上，電源輸出正、負(fù)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(yáng)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(yáng)極或多或少會(huì)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(yáng)極電壓隨介質(zhì)和電脈沖陽(yáng)極部分的處理時(shí)間改變，需通過(guò)試驗(yàn)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(gè)周期內(nèi)的陽(yáng)極部分和陰極部分的時(shí)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(shí)間后，馬氏體相變量不再明顯增多，一般處理時(shí)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(guò)高溫加熱，因此處理后表面與內(nèi)部不會(huì)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?jiǎng)《窘橘|(zhì)，杜絕了陰極充氫獲得馬氏體的表面強(qiáng)化方法對(duì)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(huì)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(shí)施例采用的電脈沖處理裝置示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)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(shí)施例I電脈沖處理前后試樣表面硬度測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。以下實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例I用D/max 2500型X射線衍射儀對(duì)封裝好的試樣進(jìn)行X射線衍射測(cè)試分析試樣的相組成，測(cè)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(zhǎng)為0.01°，2Θ掃描范圍為30° -100°。用ΗΧΖ-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣表面的硬度，測(cè)試載荷500g，保載時(shí)間12s，每個(gè)樣品測(cè)量5個(gè)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(cè)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(dòng)電位掃描法。掃描范圍為_200mV (相對(duì)于開路電位)至Il發(fā)生過(guò)鈍化現(xiàn)象，對(duì)于不能發(fā)生鈍化現(xiàn)象的體系到+0. 4V(相對(duì)于飽和甘汞電極)，掃描速率為100mV/min。對(duì)本實(shí)施例，測(cè)得的自腐蝕電位為-O. 11IV (相對(duì)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(diǎn)和五個(gè)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(duì)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(guò)程中蒸發(fā)的水分回流，以保持處理過(guò)程中不因水分蒸發(fā)使溶液濃度發(fā)生劇烈變化。將三個(gè)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(gè)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(jìn)行陰、陽(yáng)極交變的電脈沖處理，處理?xiàng)l件為處理溫度80° C±l° C，電脈沖陰極電位為-1.40V (相對(duì)于飽和甘汞電極)，陽(yáng)極電位+0. 20V(相對(duì)于飽和甘汞電極)，每個(gè)周期陰極時(shí)間為280s，陽(yáng)極時(shí)間為20s，總處理時(shí)間5h。將處理過(guò)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(duì)表面進(jìn)行X射線衍射和硬度測(cè)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(gè)特征衍射峰存在，說(shuō)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(duì)衍射強(qiáng)度有明顯變化。以最強(qiáng)衍射峰奧氏體的A(220)晶面的衍射強(qiáng)度為100，處理前馬氏體的M{110}晶面的衍射強(qiáng)度為25. 9，而處理后馬氏體的M{110}晶面的衍射強(qiáng)度為89. 1，即處理后馬氏體M{110}晶面的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度提高到處理前的3. 4倍，說(shuō)明處理后馬氏體明顯增多，奧氏體明顯減少，通過(guò)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(cè)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(shí)施例2采用與實(shí)施例I相同的方法制備試樣并進(jìn)行電脈沖處理前后的硬度和馬氏體含量的檢測(cè)。用與實(shí)施例I相同的方法進(jìn)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(shí)施例I相同的方法測(cè)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(duì)于飽和甘汞電極)。對(duì)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(yáng)極電位為+0. IOV。當(dāng)NaOH水溶液濃度為O. OlM時(shí)，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(duì)衍射強(qiáng)度有變化。以最強(qiáng)衍射峰奧氏體的A(220)晶面的衍射強(qiáng)度為100，處理前馬氏體的M{110}晶面的衍射強(qiáng)度為32. 6，而處理后馬氏體的M{110}晶面的衍射強(qiáng)度為35. 3，即處理后馬氏體M{110}晶面的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度提高到處理前的I. 08倍，說(shuō)明處理后馬氏體增多，奧氏體減少，通過(guò)處理使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體。硬度測(cè)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(shí)，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(duì)衍射強(qiáng)度有變化。以最強(qiáng)衍射峰奧氏體的A(220)晶面的衍射強(qiáng)度為100，處理前馬氏體的M{110}晶面的衍射強(qiáng)度為28. 1，而處理后馬氏體的M{110}晶面的衍射強(qiáng)度為37. 9，即處理后馬氏體M{110}晶面的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度提高到處理前的I. 35倍，說(shuō)明處理后馬氏體明顯增多，奧氏體明顯減少，通過(guò)處理使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體。硬度測(cè)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(shí)處理前后表面硬度幾乎未發(fā)生變化，說(shuō)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(shí)處理后表面硬度明顯提高，說(shuō)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(fù)極都可進(jìn)行調(diào)節(jié)的電源上，電源輸出正、負(fù)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(yáng)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(yáng)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(gè)周期內(nèi)的陽(yáng)極部分和陰極部分的時(shí)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(shí)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(shí)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(fù)極都可進(jìn)行調(diào)節(jié)的電源上，電源輸出正、負(fù)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(yáng)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(huì)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(hào)C21D1/09GK102643959SQ20121014893
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京化工大學(xué), 藍(lán)星(北京)化工機(jī)械有限公司