一種鋼鐵表面類金剛石復(fù)合滲碳層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用陰極液相等離子體電解技術(shù)在鋼鐵表面制備類金剛石復(fù)合滲碳層的方法，屬于表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。以鋼鐵試樣為陰極，石墨為陽極，浸入到特定的電解質(zhì)溶液中；該電解液各組分的質(zhì)量百分比為：甘油50-70％，乙醇10-20％，碳酸鈉5-10％，氯化鈉3-5％，去離子水10-20％。室溫條件下在兩電極間施加200V-500V的電壓，陰極表面發(fā)生等離子體放電，放電處理時間為0.5-5min。處理結(jié)束后切斷電源，即可得到含有類金剛石成分的滲碳層。本發(fā)明方法工序簡單，成本低，效率高，所制備的類金剛石復(fù)合滲碳層結(jié)構(gòu)致密，硬度達到600HV以上，能有效提高鋼鐵材料的使用壽命。
【專利說明】一種鋼鐵表面類金剛石復(fù)合滲碳層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼鐵材料表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種利用陰極液相等離子體電解技術(shù)在鋼鐵表面制備類金剛石復(fù)合滲碳層的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]滲碳工藝是鋼鐵材料常用的表面硬化方法，對齒輪、軸類等零件進行滲碳處理后可有效提高試樣的表面硬度和耐磨性，從而獲得所需的綜合力學(xué)性能。但是傳統(tǒng)的滲碳方法，如固體法，需要在接近1000°c的高溫條件下進行，其工序復(fù)雜，耗時長且工件變形大，處理成本高。專利200710050131.0和200880005440.9就是在鋼鐵表面獲得滲碳層的傳統(tǒng)工藝方法。
[0003]陰極液相等離子體電解滲碳是一種新型的鋼鐵表面改性技術(shù)，該技術(shù)以被處理的鋼鐵試樣為陰極，惰性材料為陽極，共同浸入在特定的電解液中，并在陰陽極之間施加一定的電壓，所用電解液通常是由甘油、乙醇等有機物和少量無機導(dǎo)電介質(zhì)組成。由電流熱效應(yīng)產(chǎn)生的電解液氣膜在臨界電壓下被擊穿，產(chǎn)生電弧放電，電解質(zhì)被分解形成大量等離子態(tài)的碳活性粒子。這些粒子在高電場、流體動力等作用下轟擊試樣表面，并在局部高溫高壓、高濃度的作用下向金屬內(nèi)部快速擴散，幾分鐘內(nèi)即可獲得幾十微米厚的滲碳層。整個過程在常溫電解液中、大氣環(huán)境下進行，設(shè)備操作簡單，能耗低，工件變形小，處理效率高；所制備的滲碳層性能達到甚至超過傳統(tǒng)滲碳技術(shù)制備的滲碳層性能，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。專利200910232925.8公開了一種用于低碳鋼快速微弧滲碳的溶液及方法，其電解液的有效成分是甲酰胺、甘油、碳酸鈉和碳酸鉀，放電處理時間為5-15分鐘，所制備滲碳層的硬度為550HV。該發(fā)明所用的溶液具有環(huán)境兼容性好，工作溫度要求低，處理速度快的特點；然而通過調(diào)整電解液成分和優(yōu)化工藝，處理效率和滲層性能還能得到進一步提升。
[0004]類金剛石是由無定形碳和金剛石相組成的非晶亞穩(wěn)態(tài)碳材料，由于具有與金剛石相類似的性能——優(yōu)異的機械特性、電學(xué)特性、光學(xué)特性、熱學(xué)和化學(xué)特性以及良好的生物相容性，同時制備方法相對容易實現(xiàn)，因而成為人們重點研究的新材料。目前類金剛石膜已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域，例如利用類金剛石膜的高硬度及抗化學(xué)腐蝕性能，將其應(yīng)用于防止金屬化學(xué)腐蝕和劃傷方面；利用其良好的生物相容性和低摩擦性能，用作人工關(guān)節(jié)承受面的抗磨層；利用類金剛石膜的可見光吸收和紅外透過性能，將其用在鍺光學(xué)鏡片上和硅太陽能電池上。物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積是目前制備類金剛石膜的主要途徑，但二者一般需要真空或高溫條件，設(shè)備運行和維護的成本較高，同時沉積過程中內(nèi)應(yīng)力較大，膜基結(jié)合性較差，限制了膜層厚度的增大。文獻(A.L.Yerokhin, A.Leyland, C.Tsotsos, A.D.Wilson,X.Nie, A.Matthews.Duplex surface treatments combining plasma electrolyticnitrocarburising and plasma-1mmers1n 1n-assisted deposit1n.Surface andCoatings Technology, 2001,142-144:1129-1136.)采用液相等離子體電解方法在鋼鐵表面制備出碳氮共滲層，再采用等離子體浸沒離子增強沉積方法在滲層表面進一步沉積出類金剛石薄膜，提高了基體材料的耐磨性能。但該方法制備的復(fù)合膜是分兩步完成的，工序復(fù)雜，效率較低。
[0005]本發(fā)明采用陰極液相等離子體電解滲碳技術(shù)在特定電解液中制備出類金剛石復(fù)合滲碳層，所制備的復(fù)合滲層結(jié)構(gòu)致密，兼具滲碳層和類金剛石的高硬耐磨性能。該方法是在等離子體放電制備滲碳層的基礎(chǔ)上，利用等離子體區(qū)的高溫高壓作用以及氫元素的誘導(dǎo)作用直接將部分活性的碳原子或離子鍵合成sp3C，形成類金剛石成分并沉積在滲碳層表面，制備出復(fù)合滲層。鋼鐵試樣經(jīng)過該方法處理后，表面硬度和耐磨性可得到大幅提高。這種同時制備滲碳層和類金剛石獲得復(fù)合滲層的方法目前尚未見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種新型的類金剛石復(fù)合滲碳層的制備方法，其特征在于，所述類金剛石復(fù)合滲碳層的制備方法是基于特定電解液中快速陰極等離子體電解滲碳的技術(shù)，所制備的復(fù)合滲層硬度可達600HV以上，遠高于鋼鐵基體硬度。該方法具體工藝流程如下:
[0007]步驟一、配制陰極等離子體電解滲碳所用的電解液，各組分按質(zhì)量百分比計算:甘油50-70%，乙醇10-20%，碳酸鈉5-10%，氯化鈉3-5 %，去離子水10-20 %。
[0008]步驟二、對鋼鐵試樣進行預(yù)處理，用360#_1500#砂紙對鋼鐵表面進行打磨，再用酒精清洗去除表面油污,之后將樣品烘干。
[0009]步驟三、將預(yù)處理后的鋼鐵試樣作為陰極，石墨為陽極，共同浸入到盛有已配制電解液的電解槽中，室溫條件下在兩電極間施加200V-500V電壓，處理過程中樣品表面會有明亮的等離子體放電發(fā)出的白光，在該狀態(tài)下保持處理的時間即可，處理時間為0.5_5min ；
[0010]使用上述方法對鋼鐵材料進行快速處理后，可得均勻致密的類金剛石復(fù)合滲碳層，滲層厚度可達到20 u rn—60 U rt1
[0011]本發(fā)明的特點在于:(1)利用液相等離子體區(qū)的高溫高壓作用將有機電解質(zhì)分解產(chǎn)生的活性碳元素直接轉(zhuǎn)變?yōu)轭惤饎偸煞郑⑼匠练e在滲碳層表面形成復(fù)合滲層，在實現(xiàn)快速滲碳的同時獲得了類金剛石的優(yōu)良特性；(2)所用電解液溶質(zhì)來源廣泛，放電過程中不產(chǎn)生有害氣體，清潔無污染；(3)整個處理過程在常溫、大氣環(huán)境下進行，設(shè)備維護成本低且工序簡單、可重復(fù)性強、生產(chǎn)效率高；(4)所制備出的復(fù)合滲層均勻致密，且具有較高的硬度和較好的耐磨性，能有效提高鋼鐵材料的使用壽命；(5)該工藝適用于各種牌號的鋼鐵材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]說明書附圖1是用本發(fā)明制備出的類金剛石復(fù)合滲碳層的橫截面掃描電鏡照片。說明書附圖2是復(fù)合滲層在激發(fā)波長為633nm時的拉曼光譜圖，由該譜圖可以確認(rèn)滲碳層表面含有一定比例的類金剛石成分。

【具體實施方式】
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述的電解液體系及工序流程，提供以下實施例:
[0014]實施例1
[0015]以T8碳鋼作為陰極，石墨為陽極，首先用砂紙(360#_1500#)對鋼表面進行打磨預(yù)處理并用酒精清洗去油污。然后配制電解液:甘油790ml，乙醇507ml，碳酸鈉200g，氯化鈉100g，去離子水300ml，將兩電極浸在盛有上述電解液的電解槽中，并施加340V電壓，處理時間為lmin。處理結(jié)束后，切斷電源，即可得到一層厚約25 μ m，硬度為570HV左右的均勻類金剛石復(fù)合滲碳層(如附圖1所示)。
[0016]實施例2
[0017]以T8碳鋼作為陰極，石墨為陽極，首先用砂紙(360#_1500#)對鋼表面進行打磨預(yù)處理并用酒精清洗去油污。然后配制電解液:甘油952ml，乙醇380ml，碳酸鈉200g，氯化鈉100g，去離子水200ml，將兩電極浸在盛有上述電解液的電解槽中，并施加380V電壓，處理時間為lmin。處理結(jié)束后，切斷電源，即可得到一層厚約40 μ m，硬度為600HV左右的均勻類金剛石復(fù)合滲碳層。
[0018]實施例3
[0019]以T8碳鋼作為陰極，石墨為陽極，首先用砂紙(360#_1500#)對鋼表面進行打磨預(yù)處理并用酒精清洗去油污。然后配制電解液:甘油1110ml，乙醇253ml，碳酸鈉100g，氯化鈉100g，去離子水200ml，將兩電極浸在盛有上述電解液的電解槽中，并施加420V電壓，處理時間為lmin。處理結(jié)束后，切斷電源，即可得到一層厚約55 μ m，硬度為630HV左右的均勻類金剛石復(fù)合滲碳層。
[0020]上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備類金剛石復(fù)合滲碳層的電解液，其特征在于，所述電解液為含有甘油、乙醇、碳酸鈉和氯化鈉的水溶液。
2.針對權(quán)利要求1所述的電解液，其特征在于，各組分按質(zhì)量百分比計算分別為:甘油50-70%，乙醇10-20%，碳酸鈉5-10%，氯化鈉3-5 %，去離子水10-20 %。
3.一種制備類金剛石復(fù)合滲碳層的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、配制權(quán)利要求2所述的電解液； 步驟二、對鋼鐵陰極材料進行表面預(yù)處理，包括砂紙打磨和酒精清洗去油污； 步驟三、將預(yù)處理后的鋼鐵材料作為陰極，石墨為陽極，浸入到盛有權(quán)利要求2所述電解液的電解槽中，室溫條件下在兩電極間施加200V-500V電壓，處理時間為0.5-5min，之后切斷電源，制備出類金剛石復(fù)合滲碳層。
【文檔編號】C25D9/10GK104294343SQ201310301580
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】薛文斌, 吳杰, 王涵, 王彬, 金小越, 劉潤, 劉曉龍, 陽超林, 華銘 申請人:北京師范大學(xué)