一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解碳氮共滲的溶液及碳氮共滲方法
【專利摘要】一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解碳氮共滲的電解液及碳氮二元共滲方法，是屬于鋼鐵表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。溶液組分按質(zhì)量百分比計算，電解液配比為：甲酰胺15-30％，乙醇胺20-40％，甘油10-25％，氯化鈉5-10％，去離子水10-45％。在等離子體電解碳氮共滲溶液中，將鋼鐵樣品放入溶液并作為陰極，石墨作為陽極，在室溫條件下對兩極施加電壓至150V-450V，處理1min-10min，即可得到厚度為15μm-150μm，硬度為600HV-900HV的碳氮共滲層。鋼鐵經(jīng)過等離子體電解碳氮共滲處理后硬度比不銹鋼基體提高3-4倍，磨損率降為不銹鋼基體的1/14-1/26，摩擦系數(shù)也明顯下降。本發(fā)明的電解液及等離子體電解碳氮共滲工藝大幅度提高了鋼鐵的抗摩擦磨損性能。液相等離子體電解碳氮共滲工藝簡單、滲層生長效率高、工件不變形、無后處理、成本低廉。
【專利說明】一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解碳氮共滲的溶液及碳 氮共滲方法

【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碳氮二元共滲的溶液 和方法，經(jīng)處理的鋼鐵材料可提高其耐磨性能。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高鋼鐵零件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性及抗蝕能力。傳統(tǒng)的氣體碳氮共滲、真空 碳氮共滲和離子碳氮共滲技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)熱處理技術(shù)中比較普及的工藝。氣體碳氮共 滲，真空碳氮共滲的基本原理是把鋼件加熱到較高溫度（一般是900-950°C )，通入碳、氮 組分，通過控制碳勢、氮勢，利用碳氮元素的擴(kuò)散效應(yīng)從而實現(xiàn)表面強(qiáng)化。但是這兩種方法 生產(chǎn)周期很長，一般需要幾個小時的處理時間，工件處理后表面易形成一層脆性層，使用 時容易產(chǎn)生脆性剝落，而且處理過程在高溫環(huán)境下進(jìn)行，可能會導(dǎo)致鋼件的變形，而離子 碳氮共滲需要在低真空條件下的真空室內(nèi)進(jìn)行。專利CN200910044707. U01823682. 0和 CN200810067779. 3分別敘述的是一種氣體碳氮共滲方法、在減壓的真空爐內(nèi)對工件進(jìn)行碳 氮共滲的方法和對工件進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共滲的方法。
[0003] 液相等離子體電解快速碳氮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，工件作為陰極，石墨作為陽極。隨著施加電壓的升高，工件表面產(chǎn)生大量的 氣體，形成了使電解液和電極表面分離的氣體隔離層，達(dá)到擊穿電壓后，氣體層發(fā)生擊穿反 應(yīng)，氣泡破裂，火花放電出現(xiàn)，形成厚度達(dá)3-5mm的穩(wěn)定放電層，火花濃度和電壓成正比。產(chǎn) 生的等離子體中含有大量碳、氮活性粒子，在高電場、流體動力等作用下，轟擊鋼鐵表面，并 在局部高溫高壓、高濃度的作用下使碳、氮離子向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。在幾分鐘的時間內(nèi)即可獲 得高硬度、耐磨、耐蝕的碳氮共滲層，同時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碳氮共滲工藝具有重要的應(yīng)用價值。


【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快速碳氮共滲的電解液及工 藝方法。它是在特定的電解液中進(jìn)行，工件整體受熱輕微。利用本發(fā)明可以在幾分鐘的時 間內(nèi)在鋼鐵表面成功制備均勻致密的碳氮共滲層，滲層與基體結(jié)合緊密，硬度明顯提高，抗 磨損性能較好。本發(fā)明處理時間短，節(jié)能環(huán)保，設(shè)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碳氮共滲表面處理。
[0005] 以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步描述，具體如下：
[0006] 本發(fā)明所述用于鋼鐵表面等離子體電解碳氮共滲的電解液組分及各組分質(zhì)量 百分比為：甲酰胺15-30%，乙醇胺20-40 %，甘油10-25%，氯化鈉5-10%，去離子水 10-45%。
[0007] 在上述溶液中對鋼鐵表面等離子體電解碳氮共滲的方法如下：將鋼鐵樣品放入 溶液里并作為陰極，石墨作為陽極。在室溫條件下對兩極施加電壓至150V-450V，處理 Imin-lOmin，即可得到厚度為15μπι-150μπι，硬度為600HV-900HV的碳氮共滲層。
[0008] 本發(fā)明能在幾分鐘的時間內(nèi)在鋼鐵表面成功制備較厚的碳氮共滲層，滲層均勻致 密，與鋼基體結(jié)合緊密，硬度顯著提高，抗磨損性能較好。本發(fā)明的優(yōu)勢為：效率高，工件變 形小，不需要去除鈍化膜，處理時間短，設(shè)備簡單。滲層硬度可達(dá)600HV-900HV，并適合各種 型號的鋼材。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 附圖1為AISI304不銹鋼等離子體電解碳氮共滲層截面的掃描電鏡照片。

【具體實施方式】
[0010] 結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案提供以下實施例：
[0011] 實施例1
[0012] 樣品為AISI304不銹鋼，表面硬度為218HV。往電解槽中加入6800ml甲酰胺、 6500ml乙醇胺和3500ml甘油，將甲酰胺、乙醇胺和甘油混合均勻。往另一只容器中加入10L 去離子水，并放入2500g氯化鈉，不斷攪拌，直到完全溶解。將配制好的氯化鈉水溶液加入 到甲酰胺、乙醇胺和甘油有機(jī)溶液中，將AISI304不銹鋼樣品放入配制的液相等離子體電 解液中，以AISI304不銹鋼樣品作為陰極，石墨作為陽極，加電壓至320V，進(jìn)行碳氮共滲處 理5min，即可得到厚度為70 μ m，最大硬度達(dá)到697HV的碳氮共滲層，將此工件記為S1。
[0013] 實施例2
[0014] 樣品為AISI304不銹鋼，表面硬度為218HV。往電解槽中加入5000ml甲酰胺、 6000ml乙醇胺和3000ml甘油，將甲酰胺、乙醇胺和甘油混合均勻。往另一只容器中加入10L 去離子水，并放入1500g氯化鈉，不斷攪拌，直到完全溶解。將配制好的氯化鈉水溶液加入 到甲酰胺、乙醇胺和甘油有機(jī)溶液中，將AISI304不銹鋼樣品放入配制的液相等離子體電 解液中，以AISI304不銹鋼樣品作為陰極，石墨作為陽極，加電壓至360V，進(jìn)行碳氮共滲處 理5min，即可得到厚度為100 μ m、最大硬度達(dá)到765HV的碳氮共滲層，將此工件記為S2。
[0015] 實施例3
[0016] 樣品為AISI304不銹鋼，表面硬度為218HV。往電解槽中加入5000ml甲酰胺、 8500ml乙醇胺和3600ml甘油，將甲酰胺、乙醇胺和甘油混合均勻。往另一只容器中加入10L 去離子水，并放入1800g氯化鈉，不斷攪拌，直到完全溶解。將配制好的氯化鈉水溶液加入 到甲酰胺、乙醇胺和甘油有機(jī)溶液中，將AISI304不銹鋼樣品放入配制的液相等離子體電 解液中，以AISI304不銹鋼樣品作為陰極，石墨作為陽極，加電壓至400V，進(jìn)行碳氮共滲處 理5min，即可得到厚度為120 μ m，最大硬度達(dá)到846HV的碳氮共滲層，將此工件記為S3。
[0017] 實施例4
[0018] 對實施例1制得的AISI304不銹鋼樣品工件S1進(jìn)行如下的性能測試，測試結(jié)果如 表1所示。
[0019] (1)碳氮共滲層厚度測量
[0020] 切割S1樣品并用電木粉鑲樣，打磨拋光后，使用型號為Hitachi S-4800掃描電子 顯微鏡觀察碳氮共滲層的截面形貌，并測量滲層的厚度，取五個點(diǎn)的平均值作為滲層的厚 度值。
[0021] ⑵顯微硬度
[0022] 使用HX-1000TM維氏顯微硬度計測量S1試樣截面碳氮共滲層五個點(diǎn)的硬度，取平 均值得到等離子體電解碳氮共滲層的顯微硬度。
[0023] (3)摩擦系數(shù)
[0024] 用砂紙將S1樣品表面疏松層打磨掉后，使用HT-1000摩擦磨損試驗機(jī)對樣品進(jìn)行 常溫下的摩擦磨損實驗。選擇直徑5mm的GCrl5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10_，載荷G為1000g，摩擦持續(xù)時間t為lOmin，最后得到S1樣品表面的摩 擦系數(shù)，該系數(shù)為平均值。
[0025] (4)磨損率
[0026] 利用北京時代TR200粗糙度測量儀測量上述（3)中得到的S1樣品磨痕形貌，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。
[0027] 實施例5-6
[0028] 按照實施例4的方法對實施例2和實施例3處理得到的S2和S3樣品進(jìn)行性能測 試，結(jié)果如表1所示。
[0029] 實施例7
[0030] 按照實施例4的方法對未經(jīng)等離子體電解碳氮共滲處理的AISI304不銹鋼基體進(jìn) 行性能測試，以便對比分析鋼鐵試樣在經(jīng)等離子體電解碳氮共滲處理前后的性能差異。結(jié) 果如表1所示。
[0031] 表1 :不同溶液配比及不同電壓對AISI304不銹鋼基體進(jìn)行等離子體電解碳氮共 滲處理的性能測試結(jié)果
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于鋼鐵表面快速等離子體電解碳氮共滲的電解液，溶液組分按質(zhì)量百分比計 算，電解液配比為：甲酰胺15-30%，乙醇胺20-40%，甘油10-25%，氯化鈉5-10%，去離子 水 10-45%。
2. 利用權(quán)利要求1所述的溶液對鋼鐵進(jìn)行液相等離子體電解碳氮共滲的方法，其特征 在于在等離子體電解碳氮共滲溶液中，將鋼鐵樣品放入并作為陰極，石墨作為陽極，在室溫 條件下對兩極施加電壓至150V-450V，處理lmin-10min，即可在鋼鐵樣品表面得到厚度為 15 μ m-150 μ m，硬度為600HV-900HV的碳氮共滲層。
【文檔編號】C23C8/38GK104141104SQ201310165582
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】薛文斌, 金乾, 王彬, 金小越, 吳杰, 劉潤, 杜建成, 華銘 申請人:北京師范大學(xué)