專利名稱：一種提高鋼材耐磨性的表面化學(xué)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)鋼鐵材料表面進(jìn)行化學(xué)處理以提高材料硬度及耐磨性能的方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵是全球產(chǎn)量最多的金屬，全世界每年需要消耗大量鋼鐵。鋼鐵的機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能好，可以很容易加工成各種各樣的制品而被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，各種機(jī)械設(shè)備、建筑材料及日常生活用具的制造都離不開鋼鐵。鋼鐵的消耗、失效的主要原因之一就是磨損。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界磨損造成了三分之一左右的鋼鐵能源與原材料的白白消耗，由磨損所造成的經(jīng)濟(jì)方面直接或間接損失達(dá)到了數(shù)千億元。因此提高鋼鐵材料的耐磨性能，開發(fā)新型的耐磨鋼鐵材料降低磨損所造成的損失成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。一般情況下承受載藍(lán)的零件表面常處于最大應(yīng)力狀態(tài)，相互之間直接摩擦并與介質(zhì)環(huán)境相接觸。因此，零件的磨損和失效也大多發(fā)生在表面或從表面開始，如通過表面強(qiáng)化處理增加材料表面硬度，改善表層組織結(jié)構(gòu)等，就能顯著地提高零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。因此提高鋼鐵材料耐磨性能，延長鋼鐵材料使用壽命的有效手段之一是對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。表面強(qiáng)化處理可以顯著改善鋼鐵材料表面性能，提高材料的強(qiáng)度、耐磨性能以及提高耐腐蝕性能。現(xiàn)階段材料表面強(qiáng)化處理手段主要包括:1)金屬熱處理，包括:淬火、正火、調(diào)質(zhì)、碳、氮共滲等。其作用在于提高金屬表面硬度、韌性、耐磨性能等。2)功能性鍍層，如:鍍硬鉻、化學(xué)鍍鎳等。其作用在于提高金屬表面硬度、耐磨性、防腐及裝飾功能。3)其他表面處理方法，包括:機(jī)械滾壓、等離子注入等，其作用在于提高金屬零件表面硬度和耐磨性。

但另一方面鋼鐵材料的傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化處理方法也不得不面對(duì)工藝復(fù)雜、成本較高以及對(duì)環(huán)境的不友好等缺點(diǎn)，針對(duì)這一情況，期望開發(fā)一種強(qiáng)化效果更好，工藝更簡單以及更加環(huán)保的表面強(qiáng)化工藝。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種可以提高材料的硬度及耐磨性能、可在鋼鐵材料表面生成高強(qiáng)度、高致密度、耐腐蝕、耐磨損金屬化合物層的提高鋼鐵材料耐磨性的表面化學(xué)處
理方法。技術(shù)方案:本發(fā)明的提高鋼鐵材料耐磨性的表面化學(xué)處理方法，包括以下步驟:
a.先除去鋼鐵材料表面污潰及氧化物，然后將表面清理好的鋼鐵材料進(jìn)行干燥；
b.將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中與反應(yīng)劑進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)劑為100g/L 150g/L的鑰酸氨水溶液，反應(yīng)條件為:pH值2 3、溫度150°C 180°C、通入惰性氣體加壓至1.5MPa 1.8MPa、時(shí)間 2 h 3h ;
c.把反應(yīng)后的鋼鐵材料載還原氣氛下加熱至70(T750°C，保溫30mirT45min。
本發(fā)明方法使鋼鐵材料在高溫高壓的條件下與鑰酸銨水溶液發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使鋼鐵材料表面生成富鑰的金屬化合物層。有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提出了一種簡單易行并且環(huán)保的表面強(qiáng)化處理工藝，通過鋼鐵材料與鑰酸氨溶液在高溫高壓的條件下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)使鋼鐵材料表面生成0.r0.3mm富鑰的金屬化合物層，如圖1所示，可以明顯看出材料表面生成一層0.廣0.3_顏色較淺的富鑰層。。該金屬化合物層具有高強(qiáng)度、高致密度、耐腐蝕、耐磨損，從而提高鋼鐵材料表面強(qiáng)度、耐磨性以及耐腐蝕性，是制備機(jī)械行業(yè)中磨損較大零件的一種良好的方法。該物理化學(xué)過程的基本原理:鋼鐵材料在高溫和高壓(150 V 180 V、1.5^1.8MPa)的條件下，I)鋼材表面的微量具有還原性金屬將鑰酸氨中鑰還原出來；2)鐵會(huì)與硫酸反應(yīng)生成硫酸鐵及部分硫酸亞鐵；3)亞鐵離子會(huì)與鑰酸氨反應(yīng)將鑰還原出來；4)體系中生成的三價(jià)鐵會(huì)與鑰酸氨反應(yīng)生成鑰酸鐵；5)鑰酸鐵在700°C 750°C還原氣氛下會(huì)還原成鐵、鑰單質(zhì)以及鐵鑰合金。體系中相關(guān)物理化學(xué)反應(yīng)如下:
2 IMe+ Mo7O2廣 +24H-— 21Me2++7Mo+12H20Fe+ 2F — Fe2++H2 f2Fe+ 6H_ — 2Fe3++3H2 tFe+2 Fe3+ — 3Fe2+
42Fe2+ + Mo7O2, +42F — 42Fe3++7Mo+24H20Mo7O246 +Fe3+ — Fe2 (MoO4) 3
Fe2 (MoO4) 3+ 6H2 個(gè)—2Fe+3Mo02+6 H2OMoO2+ 2H2 f — Mo+ 2H203Fe+Mo — Fe3Mo
反應(yīng)體系中高溫、高壓促進(jìn)了反應(yīng)速率，節(jié)省了反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)后生成以金屬化合物Fe3Mo為主的富鑰層，鑰含量在12 26%左右，大大的提高了鋼鐵材料的表面強(qiáng)度、耐磨性以及耐腐蝕性。反應(yīng)后產(chǎn)生的廢液重新調(diào)整鑰酸銨濃度可以返回前段工序使用，排放氣體為氫氣可以回收利用，整個(gè)過程比較環(huán)保。綜上所述，本發(fā)明以一種簡單易行并且環(huán)保的表面強(qiáng)化處理工藝，通過鋼鐵材料與鑰酸氨溶液在高溫高壓的條件下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)使鋼鐵材料表面生成0.r0.3mm富鑰的金屬化合物層。該金屬化合物層具有高強(qiáng)度、高致密度、耐腐蝕`、耐磨損，從而提高鋼鐵材料表面強(qiáng)度、耐磨性以及耐腐蝕性，并且制備方法工藝簡單，成本相對(duì)較低，可以大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為鋼鐵材料經(jīng)過本發(fā)明方法表面強(qiáng)化處理后的SEM圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步具體說明。實(shí)施例1:將牌號(hào)為40Cr的鋼材表面先酸洗，再用清水漂洗干凈，去除表面污潰及氧化物。將表面清理干凈的40Cr放入120°C的烘箱中真空干燥，直至表面徹底干燥。將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中并加入配好的濃度為100g/L的鑰氨酸溶液直至淹沒，并用硫酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液在pH值為2 3之間。待壓力釜安裝好后開始加熱并通入氮?dú)饧訅?，待材料?50±5°C、1.5^1.8MPa以及pH值2 3條件下反應(yīng)2小時(shí)后開始減壓，降溫并卸釜取出40Cr。將取出的40Cr放入管式電阻爐中通氫氣加熱至700°C保溫30mirT45min。待隨爐冷卻后取出清洗表面并干燥，直至表面徹底干燥后涂抹防銹油即得到成品。實(shí)施例2:
將牌號(hào)為Crl2的鋼材表面先酸洗，再用清水漂洗干凈，去除表面污潰及氧化物。將表面清理干凈的Crl2放入120°C的烘箱中真空干燥，直至表面徹底干燥。將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中并加入配好的濃度為120g/L的鑰氨酸溶液直至淹沒，并用硫酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液在pH值為2 3之間。壓力釜安裝好后開始加熱并通入氮?dú)饧訅海牧显?60±5°C、1.5^1.8MPa以及pH值2 3條件下反應(yīng)2小時(shí)后開始減壓，降溫并卸釜取出Crl2。將取出的Crl2放入管式電阻爐中通氫氣加熱至730°C保溫30mirT45min。待隨爐冷卻后取出清洗表面并干燥，直至表面徹底干燥后涂抹防銹油即得到成品。實(shí)施例3:
將牌號(hào)為4Crl3鋼材表面先酸洗，再用清水漂洗干凈，去除表面污潰及氧化物。將表面清理干凈的4Crl3放入120°C的烘箱中真空干燥，直至表面徹底干燥。將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中并加入 配好的濃度為150g/L的鑰氨酸溶液直至淹沒，并用硫酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液在PH值為2 3之間。壓力釜安裝好后開始加熱并通入氮?dú)饧訅?，待材料?80±5°C、
1.5^1.8MPa以及pH值2 3條件下反應(yīng)2小時(shí)后開始減壓，降溫并卸釜取出4Crl3。將取出的4Crl3放入管式電阻爐中通氫氣加熱至750°C保溫30mirT45min。待隨爐冷卻后取出清洗表面并干燥，直至表面徹底干燥后涂抹防銹油即得到成品。經(jīng)過表面強(qiáng)化處理后鋼材的抗氧化、硬度與耐磨性能對(duì)比:
權(quán)利要求
1.一種提高鋼鐵材料耐磨性的表面化學(xué)處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: a.先除去鋼鐵材料表面污潰及氧化物，然后將表面清理好的鋼鐵材料進(jìn)行干燥； b.將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中與反應(yīng)劑進(jìn)行反應(yīng)，所述反應(yīng)劑為IOOg/L^150g/L的鑰酸氨水溶液，反應(yīng)條件為:pH值2 3、溫度150°C 180°C、通入惰性氣體加壓至 1.5MPa 1.8MPa、時(shí)間 2 h 3h ; c.把反應(yīng)后的鋼鐵材料在 還原氣氛下加熱至70(T750°C，保溫30mirT45min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高鋼鐵材料耐磨性的表面化學(xué)處理工藝方法，先除去鋼鐵材料表面污漬及氧化物并進(jìn)行干燥，然后將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中與反應(yīng)劑進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)劑為100g/L~150g/L的鉬酸氨水溶液；反應(yīng)條件為pH值2~3、溫度150℃~180℃、通入惰性氣體加壓1.5MPa~1.8MPa、時(shí)間2h~3h。最后把反應(yīng)后的鋼鐵材料在還原氣氛下加熱至700~750℃，保溫30min~45min。本發(fā)明方法可以使鋼鐵材料表面生成0.1~0.3mm富鉬的金屬化合物層，提高鋼鐵材料的強(qiáng)度、耐腐蝕和耐磨損性能。反應(yīng)生成的廢液調(diào)節(jié)鉬酸銨濃度后可以循環(huán)使用，整個(gè)過程具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和操作簡單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C22/82GK103205739SQ201310153048
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者巨佳, 薛烽, 周健, 白晶, 孫揚(yáng)善 申請(qǐng)人:東南大學(xué)