钢铁材料表面快速改性技术

图 1 等离子体电解渗透装置示意图 1 － 电源 2 － 安培表 3 － 电压表 4 － 循环冷却系统 5 － 试样 6 － 电解液 7 － 搅拌系统 8 － 绝缘装置 9 － 测温装置 10 － 共渗电解槽 11 － 循环 冷却水 12 － 排风系统
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图 2 电流和电压的工作曲线
第二阶段，继续升高电压，电流较快的增加，此时已不符
（ 二） 渗透层的 断 面 形 貌。图 3 （ a） 是 未 处 理 试 样 基 体 SEM 照片，（ b） 是经过 150V 电压下处理 90s 的试样渗层的断 面形貌。
图 3 基体与渗层的断面形貌
（ 三） 渗透层的成分分析。对等离子体电解碳氮共渗层 及其过渡区域进行的 EDS 点分析，从渗层到过渡区打了三个 点（ spectrum1、spectrum2、spectrum3） ，点的位置和点分析结果 如图 4 所示。
合欧姆定律，这 时 是 气 液 共 同 导 电。 就 液 体 部 分 而 言，电 极 两端的电压增大，电 场 增 强，离 子 运 动 速 度 加 快 而 且 液 体 温 度不断升高，致使溶液的电导率增大； 就气体部分而言，是因 为在热电离和电极间电场作用下，使气体分子电离所致。气 体分子电离 可 以 产 生 二 次 电 子，并 被 加 速 如 同 一 次 电 子 一 样，它也可以使气 体 分 子 电 离，其 结 果 出 现 了 雪 崩 式 的 电 子 流增大。电流雪崩式增大并伴随有气体发光的现象称为气 体放电或气体的击穿，此时的电压称为临界击穿电压。
（ 四） 渗透Fra Baidu bibliotek的硬度分析。在 160 V 工作电压下，处理 120 s 试 样的显微硬度变化曲线如图 5 所示。
钢铁材料表面快速改性技术研究
□刘 凯
【摘 要】本文在特定电解液体系下，应用液相等离子体电解渗透技术对 Q235 钢表面进行快速改性处理。探索了快速改性的 可行性，给出了渗层的 ESM 形貌，对深层进行了成分分析，测定了深层的硬度。
【关键词】快速改性； 渗透； 渗层性能 【作者简介】刘凯（ 1981 ～ ） ，男，河北秦皇岛人，燕山大学里仁学院硕士； 研究方向： 金属材料热处理及表面改性
本试验用的有机化合物是乙醇胺（ C2H5ONH2） 电解液， 其中水溶液中 KCl 质量百分数 W% 为 9． 09% ，电解液中水的 百分含量为 25% 。
（ 二） 实验机理。快速渗氮、渗碳及碳氮共渗处理的机理 同样也遵循扩散过程的菲克方程式。由于弧光放电，气体被 击穿产生大量的处于等离子体态的活性原子，这些活性原子 在电场的作用下 轰 击 试 样 表 面，离 子 注 入 到 处 理 材 料 中，产 生空位和位错，将导致两个方面的影响： 一方面，使工件表面 的活性原子的浓度提高； 另一方面，强化沿晶界扩散，即位错 沿着与轰击表面垂直的滑移面移动，其运动的方向与饱和元 素（ C，N） 扩散流的方向重合，从而大幅度提高材料内 C、N 原 子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系 数的增大，使得非金属扩散系数可提高 2 ～ 3 倍，从而使 C 和 N 原子的扩散过程得以强化； 在等离子电解渗透技术中等离 子体是通过弧光放电产生的，具有比较大的电流密度（ 1 A / cm2 左右） ，所以离子的轰击非常强烈，致使渗透的速度加快， 最终实现材料表面快速固溶和化合物强化处理。
第三阶段，在气 体 被 击 穿 稳 定 以 后，电 流 有 个 迅 速 减 小 的过程，此时样 品 持 续 放 热。 在 此 过 程 中 由 于 气 体 放 电、电 子碰撞产生大量 的 等 离 子 体，等 离 子 体 虽 整 体 呈 中 性，但 它 含有相当数量的 电 子 和 离 子，因 此 仍 可 以 导 电，但 由 于 气 体 击穿后产生的稳定连续的等离子体区将试样与电解液分开， 形成气液隔离层，造 成 只 有 一 种 气 态 形 式 导 电，因 此 电 流 迅 速变小。此时继续 提 高 电 压，电 流 只 有 稍 微 增 加，增 加 电 压 的目的是为了维持试样表面的温度，此时维持的电压称为工 作电压，此时电压在 130 V ～ 170 V 之间。
一、引言 钢铁材料是现代应用最为广泛的重要工程材料。但是 由于其自身的原因及其使用的环境介质影响，难免要发生腐 蚀、磨损等各种形式的损坏，降低了工件的使用寿命，造成了 很大的经济损失。多年来，为了减轻钢铁材料因腐蚀与磨损 造成的损失，人们做了大量的研究与开发工作。除选用和研 制高性能的整体钢铁材料外，鉴于腐蚀与磨损都始于材料表 面，采用表面工程 技 术 实 施 于 材 料 表 面 以 改 变 其 耐 磨 、耐 蚀 性是材料科学工作者通常采用的办法。钢铁表面改性技术 发展很快，其中以气体碳氮共渗较好，在上世纪 60 年代中期 离子渗碳 / 氮技术迅速发展和完善起来，经历了 40 多年的时 间它已经成为离子热处理技术中最成熟、最普及的工艺，但是 处理温度高、共渗时间长、工件容易变形，而且气体离子碳氮共 渗技术是在低压气体放电产生的等离子体中进行的，反应需 要在低真空的条件下进行。液相等离子体电解渗透技术解决 了这些难题，它在一个开放的环境下，处理时间很短在几十秒 到几分钟的时间内即可获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗透层。 二、实验分析方法及机理 （ 一） 试验分析方法。本实验的基体材料是 Q235 低碳钢， 试样尺寸分为 8 × 10 × 1． 2 mm。实验所需设备为自行研制的 2 kW 等离子体电解渗透装置。该装置主要有五部分组成： 直流 脉冲电源、共渗电解槽、排风系统、测温装置及电解液循环冷却 系统。在渗透处理过程中，处理的试样作为阴极。
三、实验结果分析与讨论 （ 一） 放电过程分析。图 2 为等离子体电解碳氮共渗处 理过程中电流和电压的工作曲线。由图我们可以看出，电流 和电压的工作曲线可以分为三个阶段。 第一阶段，逐渐升高电压，电流逐渐增加，此过程符合欧 姆定律，试样作为电阻，试样及其周围的液体被加热，试样和 电解液温度升高，试样表面产生大量气泡，此时电压在 0 ～ 80 V 之间。