[发明专利]一种中碳钢表面硼氮共渗改性层及其制备方法

说明书

一种中碳钢表面硼氮共渗改性层及其制备方法。本发明属于钢铁表面处理领域。本发明的目的是为了解决目前阳极液相等离子体渗透技术渗硼效率低以及渗硼层与基体硬度梯度不均且梯度较大的技术问题。本发明的方法：步骤1：将氯化铵、硝酸铵和硼源溶于去离子水，得到复合电解液；步骤2：以不锈钢金属槽为阴极，将预处理后的中碳钢置于复合电解液中作为阳极，采用阳极液相等离子体渗透方式进行电解处理，在中碳钢表面生成硼氮共渗改性层。本发明的硼氮共渗改性层由硼氮共渗相和马氏体构成，硼氮共渗相含量由表面至基体平缓降低，硼氮共渗相包括Fe₂B相、FeB相和FeN_0.076相。

技术领域

本发明属于钢铁表面处理领域，具体涉及一种中碳钢表面硼氮共渗改性层及其制备方法。

背景技术

钢铁作为现代化工农业生产中应用最为广泛的工程材料之一，具有较高的强度和韧性，以及优异的机械加工性能，但是，钢铁材料极易锈蚀且耐磨性差，这使得工件的服役寿命大大缩短，为工业生产带来了极大的不便与损失。多年来，为提高钢铁材料的耐磨与耐蚀性，常采用表面工程技术对钢铁材料进行渗氮、渗碳等处理，但传统的技术存在温度过高、时间长、生产效率低、工件易变形以及需在真空条件下反应等问题。

液相等离子体渗透表面改性技术的出现为解决这些问题开辟了新的路径。液相等离子体渗透技术是在一个开放的大气环境下、于特定的电解液中反应，试样整体受热轻微，在完成渗透后立刻淬火的一种新型钢铁表面改性技术。该技术有处理时间短、适用范围广、环境污染小、工艺简单等优点。渗透过程中，工件加热速率可高达100°/s，其较快的加热速度可避免晶粒的生长以及材料性能的恶化，在较短的时间内就可获得高硬度、耐磨、耐腐蚀的渗透层。

液相等离子体渗透技术包括阴极等离子体处理和阳极等离子体处理。但是由于该技术涉及复杂的物理、热力学、电化学知识，反应过程中的物理化学变化研究较为困难，并且没有形成完整的理论体系，目前科研人员研究方向也主要集中于阴极液相等离子体渗透。与阴极液相等离子体渗透技术相比，阳极液相等离子体渗透技术虽然电解液毒性小、污染小且渗透性更好，但在已完成的实验中可发现，阳极液相等离子体渗透过程中电流密度不易控制，工件放热量很大很快，反应机理复杂且试验成功率较低。因此在阴极液相等离子体渗透研究的基础上，对阳极液相等离子体渗透机理进行研究是至关重要的。由于硼对钢铁硬度的提升效果明显，渗硼层一般比碳氮共渗层具有更高的显微硬度，但是由于硼元素在钢铁中的固溶性较低，致使电解反应中产生的活性硼原子很难扩散到金属晶格点阵中，这也是渗硼实验效率比碳氮共渗实验效率低，工艺难度大的原因。此外，形成的渗硼层与基体硬度相差较大，硬度梯度较为明显，会极大地影响渗透后样品结构的稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前阳极液相等离子体渗透技术渗硼效率低以及渗硼层与基体硬度梯度不均且梯度较大的技术问题，而提供一种中碳钢表面硼氮共渗改性层及其制备方法。

本发明的目的之一在于提供一种中碳钢表面硼氮共渗改性层的制备方法，该方法按以下步骤进行：

步骤1：将氯化铵、硝酸铵和硼源溶于去离子水，得到复合电解液；

步骤2：以不锈钢金属槽为阴极，将预处理后的中碳钢置于复合电解液中作为阳极，采用阳极液相等离子体渗透方式进行电解处理，在中碳钢表面生成硼氮共渗改性层。

进一步限定，步骤1中硼源为硼酸。

进一步限定，步骤1中复合电解液中氯化铵的质量分数为8-12％，硝酸铵的质量分数为2-5％，硼酸的质量分数为4-6％。

进一步限定，步骤2中中碳钢包括45#、40Cr、40CrMo、40CrNiMo。

进一步限定，步骤2中中碳钢的预处理过程为先碱洗，再打磨。

进一步限定，步骤2中电解的工艺条件为：温度为50-80℃，直流电流为3-8A，稳态电压为180-220V，稳态电压下电解时间为4-6min。