液相等离子体电解渗提高黑色金属表面耐磨性

液相等离子体电解渗提高

黑色金属外表耐磨性

Contents问题的提出液相等离子体电解渗技术研究根底和研究进展问题的提出黑色金属(铁碳合金及其与少量其他金属和非金属元素组成的合金,即通常所说的钢和铁)是应用最广泛的金属,但是钢铁材料本身易磨损、易腐蚀等特点常常使其寿命大大缩短，给工业生产带来操作上的麻烦和经济上的损失。尤其是在油、气田勘探方面，对于勘探钻井设备的耐磨要求更为苛刻，设备耐磨性能的不够，更换频繁，严重影响勘探的效率和整个工作的进程，如何提高勘探钻井设备的耐磨性能成为一个急需解决的问题。同时，对于油、气田勘探设备而言，为增加设备的使用寿命，其耐腐蚀能力也急需提高。“绿色〞这一主题也被提上日程，对于材料改性方法,在强调效果的同时，要求处理处理工艺绿色化，环境友好，操作简单方便，这常常是一对矛盾，两者往往不可兼得。为此，要求开发效果好、污染少、路线少的工艺，来提高钢铁材料的耐磨、耐蚀性能，这就是我们今天重点要介绍的液相等离子体电解渗技术问题的提出热喷涂技术气相沉积技术复合镀层溶胶-凝胶技术自蔓延高温合成技术钢铁材料外表耐磨处理工艺液相等离子体电解渗技术液相烧结技术液相沉积技术原位化学反响技术热扩渗技术液相等离子体电解渗技术热扩渗对钢铁材料进行C、N、B、S等元素外表渗或共渗，在钢铁材料外表形成渗层，提高材料外表的硬度、耐磨性和耐蚀性。可以分为气相渗、液相渗、固相渗、真空离子渗〔辉光放电〕气相渗一般是在化学可控气氛炉中使渗源(渗剂)物质汽化,形成待渗元素的活性原子,活性原子经过在渗件外表的吸附、扩散等过程，最终被钢铁基体所吸收，以溶解、固溶、形成化合物等形式存在于钢铁基体中。可以根据需要在可控气氛炉中实现C、N、B、S、稀土元素渗以及多元渗。渗碳后的钢铁材料，经过淬火或回火处理可以显著提高钢铁材料的外表硬度和耐磨性能。哈工大应用化学系从事气相多元渗已经有多年的历史，采用液滴式渗对耐磨钢铁材料外表处理获得了良好的效果，获得国家科技创造二等奖。该法工艺成熟、稳定，系统研究了稀土及其它添加剂的复合渗对材料性能的影响，稀土的参加能缩短扩渗时间，提高工作效率，更主要的是明显改善和提高扩渗层的性能。如：1、稀土、钙复合对20钢多元渗，渗层金相组织成呈弥散分布，晶粒细化，渗层的耐磨性能，硬度，耐腐蚀性得到明显提高。2、稀土20CrMoVTiB钢多元渗，细化金相组织，大幅提高钢外表的抗高温氧化性能，硬度有一定提高，盐雾实验说明大幅度提高钢外表的耐腐蚀性能，可替代进口钢材，降低本钱。一液相等离子体电解渗技术简介1.一个多世纪以前〔1880〕俄国科学家〔SluginovN.P.发现传统阳极氧化过程中电极外表上的火花放电现象；2上个世纪五、六十年代俄国科学家Lazarenko和Coworkers开始对此项技术进行热处理研究，并称之为“heatingeletrolyticplasma〞;3Duradzhy和Coworkers研究了等离子电解中的热扩散，注意到了电解液中的元素向电极里面的扩散,开始了对电解渗的研究;4YerokhinAL等在1999年发表<<Plasmaelectrolysisforsurfaceengineering>>对PES进行了系统总结.液相等离子体电解渗

〔PlasmaElectrolyticsaturation,PES)二．目前国内主要研究单位和研究现状国内武汉工业大学聂学渊对此项技术的研究较早;燕山大学，中国科学院兰州化学物理研究;哈工大应用化学系.液相等离子体电解渗

目前国内对PES的研究单位还不多,根本都处于起步阶段,并且根本都是以YerokhinAL等的实验总结为根本出发点哈工大应用化学系对此PES作了大量的前期根底实验研究和理论研究，并且一直从事与之相关的等离子电解氧化(PlasmaElectrolyticxidation,PEO)的研究，具有较强的实验根底和理论根底三根本原理将传统的热扩渗和离子渗运用到溶液的电解过程中,利用液相溶液在电场作用下,发生等离子放电,产生大量等离子体,产生渗元活性原子,实现元素对电极基体的扩渗。等离子体放电通道内温度高达2000-8000℃〔但电解液、基体的温度为室温或稍高〕、压力可达100MPa以上，这种极限条件下的反响有利于活性元素向对电极基体的扩渗。利用等离子放电过程实现应用的技术还有针对铝、镁、钛等少数的阀金属制备陶瓷膜的微弧氧化，以提高其耐磨、耐腐蚀、耐热及电绝缘性能。利用此技术实现对黑色金属外表的陶瓷化也一直是研究热点液相等离子体电解渗

四．等离子体电解渗具有以下特点(优点)1.工艺简单,不需要苛刻的条件；设备简单,不需要真空、低真空等条件2.处理时间短；几分钟时间,甚至不到一分钟，传统渗技术需要数小时；3.效率高,原料利用率高；4.环境友好，工艺绿色化；5.可以通过调节溶液成分实现渗C、N、B及其共渗；6.有阴极和阳极两种灵活的方式；7.对于钢铁材料适用广泛；8.效果显著。液相等离子体电解渗液相等离子体电解渗阴极电解液配方：氯化铵，尿素，甘油，甲酰胺，乙醇胺等阳极电解液配方：处理工艺目的电解液成分渗C提高表面硬度、耐磨、耐腐、抗疲劳NaNO3渗N提高表面硬度耐磨、抗疲劳C3H5(OH)3Na2CO3渗B提高表面硬度耐磨耐腐Na2B4O7NaOH渗C、N提高表面硬度耐磨C3H5(OH)3NaNO2渗N、B提高表面硬度耐腐Na2B4O7NaNO2渗C、B提高表面硬度耐磨C3H5(OH)3Na2B4O7NaOH渗C、N、B提高表面硬度耐腐C3H5(OH)3Na2B4O7NaNO2五.电解液配方六.简单的设备条件和操作过程液相等离子体电解渗示意装置(以阴极渗为例)液相等离子体电解渗七.液相等离子体电解渗效果实例〔1〕Q235钢，170V下30s碳渗共氮，渗层50μm，渗层的最大硬度720HV，基体硬度只有220为HV。液相等离子体电解渗Q235钢碳渗氮层的截面SEM形貌160V,1min170V,30s〔２〕纯铁210V渗碳处理5min(a)和30min(b),20～40μm的渗透层,渗透层的相组成包括:α-Fe，Fe3C、γ-Fe,最大硬度达850Hv,基体硬度为150Hv〔３〕碳氮共渗AISI316不锈钢,230V和250V的工作电压下处理试样1min〔４〕20钢在220V〔a〕、250(b)电压下处理3min后的SEM图(5)20钢在不同电压下处理3min的硬度-厚度曲线，硬度最高可达1200HV

〔６〕AISI304不锈钢,渗氮处理5～10min,扩散层的厚度到达15～60μm,渗透层的最大硬度为850HV,而基体的硬度为150HV〔７〕38CrMoAl经渗氮几分钟，外表硬度可达850一1200HV,并能保持在500℃仍能正常工作。〔８〕不同钢铁材料渗碳层厚度与处理时间的关系〔２５０V〕材料种类电流密度处理时间渗层厚度和渗层厚度(μm)A/cm21min1min1min201.38100270330451.3814021025040Cr1.3810025038CMAl1.3875300300GCr151.046590110W18CrAV1.0475110150研究根底和研究进展液相等离子体电解氧化的大量探索液相等离子体电解渗和液相等离子体电解氧化〔PEO,又称微弧氧化〕同属于液相等离子体电解沉积，它们的研究都始于对阳极氧化过程中电极外表上的火花放电现象的发现，本课题组对PEO作了长期的大量研究，已经培养了数名博士和硕士，发表论文几十篇，长期的研究使我们具有扎实的实验根底和理论沉淀，因此,对PES的研究我们具有独特的优势。前期的根底工作和进展黑色金属外表陶瓷化的研究PEO技术只能应用于铝、镁、钛等少数的阀金属，不能直接应用于黑色金属，将PEO直接应用于黑色金属外表成为该领域的一个研究难点和热点问题。本课题组对此进行了研究，已经成功地在黑色金属外表制备出氧化铝陶瓷膜层。关于PEO的研究既为我们研究PES作了准备，同时，其本身可能也可以作为一个独立的方向开展。关于该技术的文章?不锈钢外表阴极等离子体液相沉积生长氧化铝膜层?已经被收录，进一步研究工作正在深入进行。0Cr18Ni9不锈钢在不同电流密度下所制备膜层外表的SEM照片0Cr18Ni9不锈钢外表陶瓷化〔氧化铝〕4A/dm26A/dm28A/dm2前期的根底工作和进展前期的根底工作和进展0Cr18Ni9不锈钢在不同电流密度下陶瓷膜层的XRD谱图，膜层主要是有耐磨的α-Al2O3组成0Cr18Ni9不锈钢外表陶瓷化〔氧化铝〕前期的根底工作和进展0Cr18Ni9不锈钢膜层的截面SEM照片及元素线扫描0Cr18