液相等离子体电解渗碳_渗氮及其碳氮共渗技术

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增大 ,可使非金属扩散
系数提高 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 - 电源系统 ; 2 - 电流表 ; 3 - 电压表 ; 4 - 冷却系统 ; 5 - 工件 ; 6 - 电解液 ; 7 - 搅拌系统 ; 8 - 绝缘材料 ; 9 - 不锈钢的容器 (作为电极 ) ; 10 - 冷却水
图 1 等离子体电解渗透装置示意图 F igure 1 Sketch map of pla sma electrolytic osm otic equ ipm en t
收稿日期 : 2005 - 07 - 14 修回日期 : 2005 - 08 - 26 作者简介 :田占军 (1971 - ) ,男 ,河北衡水人 ,工程师 ,主要从事金 属材料表面强化外理研究 。 作者联系方式 :李杰 , ( Email) ljysu@263. net。
1 前言
离子渗碳 、渗氮 、碳氮共渗技术 [1 ]是从 20世纪 60 年代中期迅速发展起来的 ,经过 40多年的时间 ,已经 成为离子热处理技术中比较普及的工艺 ,但是具有处 理温度高、时间太长 、工件容易变形等缺点 ,而且离子 渗碳、渗氮 、碳氮共渗反应需要在低真空条件下的真空 室 [1 ]内进行 。液相等离子体电解渗碳 、渗氮 、碳氮共渗 技术解决了这些问题 ,它是在一个开放的大气环境下、 特定的电解液中进行 ,整体工件受热轻微 ,且可以在完 成渗透处理后直接淬火 ,在几分钟的时间内即可获得 高硬耐磨、耐蚀的渗透层 。等离子电解渗碳 /氮技术属 于等离子体电解沉积的范畴 [2 ] 。等离子体电解沉积 (p lasma electrolytic deposition, PED)是一种利用等离子 体电解进行材料表面处理的新兴技术 。由于放电 ,在 电解液中会产生有别于固态 、液态 、气态的物质第四态 “等离子体 ”。等离子体电解沉积 [ 2]包括等离子体电解 氧化和等离子体电解渗透 2种技术 ,其划分是根据被 处理工件材料的不同而定义的。对于 A l、Mg、Ti等轻 金属及其合金材料的处理 ,应用的是等离子体电解氧 化 [ 3 - 6 ] (又称微弧氧化技术 [ 7 - 17 ] ) ;对于钢铁材料的处 理 ,应用的是等离子体电解渗透技术 [18 ] 。等离子体电 解渗透技术根据电解液体系选择的不同可以分为阴极 和阳极等离子体渗透技术。该技术有处理时间短 、处 理工艺简单 、试用范围广等优点 ,但目前对这项技术的 研究并不是很多 ,进行的研究也主要集中在阴极等离 子 体 电 解 渗 透 技 术 上 : 聂 学 渊 [19 ] 和 A. L. Yerokhin [ 20 ]等人进行的研究是在尿素电解液体系下对不锈钢进 行等离子体碳氮共渗处理 ; M. Tarakci[21 ]等人是在甘油 电解液体系下对纯铁进行等离子体电解渗碳处理 ;本 课题组 [22 ]目前研究在甲酰胺 - 乙醇胺体系下对低碳钢 (Q235)进行等离子体电解碳氮共渗处理和在甲酰胺体 系下进行等离子体电解渗氮研究 ,最近笔者在试验中 处理试样 30 s就得到了超过 40μm的渗透层。工件作
M. Tarakci[ 21 ]等人对应用等离子体电解渗碳技术 处理纯铁 ,加载工作电压 210 V 处理 5 m in和 30 m in, 得到 20～40μm 的渗透层 (如图 3 a和 b所示 ) 。渗 透层的相组成包括 :α2Fe、Fe3 C、γ2Fe。
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2006年 2月 液相等离子体电解渗碳 、渗氮及其碳氮共渗技术 电镀与涂饰 Electrop lating & Finishing
I =- D
c 和 c=
tt
t
tD
r t
由于弧光放电 ,气体被击穿产生大量的等离子
体 ,等离子体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 2 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 ,强化沿晶内扩散 ,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
213 制备的工艺流程 液相等离子体电解渗碳 、渗氮 、碳氮共渗处理的
制备过程非常简单 。首先用金相砂纸对试样进行逐
级打磨 ,最后一道采用粒度为 1 000#的砂纸 ,具体工 艺流程如下 :试样打磨 →丙酮擦洗 →等离子体渗透 → 水洗 →酒精擦洗 →自然干燥 。
3 试验机理分析
液相等离子体电解渗氮 、渗碳 、碳氮共渗处理的 机理同样遵循扩散过程的菲克方程式 。
2 液相等离子体电解渗碳 、渗氮 、碳氮共渗技 术的工艺特点
211 电解液体系的选择 对于液相等离子体电解渗碳 /氮技术来说 ,电解
液的选择比较简单 ,通常由三部分组成 : ①有机化合 物 (提供 C、N 源 ) , ②易溶盐 , ③水 。常用的有机化 合物有酰胺 、尿素 、醇胺等 ,由于有机化合物的导电能 力比较差 ,因此常加入一些易溶的盐 (如氯化钠或氯 化钾等 )和水来提高溶液的导电性 ,以便形成稳定的 放电电弧 。此时形成的溶液是一种双重电解质溶液 , 即先配制好易溶盐的水溶液 ,然后再将水溶液加入到 有机溶液中 (直接将易溶盐加入到有机电解液中是不 会溶解的 ) 。在此试验中 ,水的含量对电参数有较大的 影响 ,通常控制加入的盐和水的量占总含量的 5% ～ 10% [18] ,若含量少于 5%时 ,会使临界击穿电压升高 ; 若多于 10% ,则会导致电压 - 温度曲线斜率迅速升高 。 212 试验装置
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பைடு நூலகம்
电镀与涂饰 Electrop lating & Finishing 液相等离子体电解渗碳 、渗氮及其碳氮共渗技术 Feb. 2006
为阳极也可以实现渗碳 /氮 [18 ] ,但是由于电解液体系是 由无机盐的水溶液组成 ,所以具有很好的导电性 ,工件 的放热很快 ,不容易控制和冷却 ,目前还未见有关于这 方面的研究报道 ,在这里主要介绍阴极等离子体电解 渗透技术的工艺特点 、实验机理及其渗透层的性能 。
( 1 A / cm2左右 [ 23 ] ) ,所以离子的轰 击非 常强 烈 , 致
使渗透速度加快 ,最终实现材料表面快速固溶和化
合物强化处理 。
4 液相等离子体电解渗透层的结构
N ie. X[ 24 ]和 C. Tsotso s[ 21 ]应用液相等离子体电解 碳氮共渗技术处理 A ISI316不锈钢 ,在 230 V 和 250 V 的工作电压下处理试样 1 m in,得到的结果表明 : 在 230 V 的工作电压下 ,由于处理的温度比较低 ,所以奥 氏体扩散层的晶粒尺寸和晶界没有改变 ,在 250 V 下 处理的工件表面由单一的扩散奥氏体相 ( rN )到多相 结合 ,还有 2 ～3 μm 的化合物层 Fe ( Fe, Cr) 2 O4 和 Fe, Cr (N , C ) x ,以及 50 ～60 μm 的再结晶的扩散层 (如图 2所示 ,不同的放大倍数 ) 。对于 250 V 处理的 试样 ,试样表面温度很高 ,在处理结束以后 ,快速关掉 电源 ,用电解液进行快速淬火 ,向内部扩散的 C、N 在 晶界处没有沉淀出 C和 N 的化合物 ,而保持着再结晶 晶粒的固溶体 。
图 1为等离子体电解渗透装置示意图 [ 2 ] 。该装 置由直流脉冲电源 、共渗槽 、电解液循环冷却系统组 成 。由于在试验中工件作为电极 ,加载电压相当于对 工件加热 ,为了避免工件过热而造成工件周围的电解 液沸腾 ,因此要对电解液进行循环冷却 ,使电解液温 度保持在 45 ℃[ 19 ]以下 。
摘 要 :液相等离子体电解渗透 、渗氮及其碳氮共渗技术是一 种新兴的表面技术 ,与传统的离子渗碳 、渗氮及其碳氮共渗技 术相比有工件处理时间短 、整体工件受热轻微 、处理完成可以 即时淬火等优点 。分析了液相等离子体渗碳 、渗氮和碳氮共 渗技术的实验机理 ,从电解液体系 、试验装置和工艺流程 3个 方面介绍了该技术的工艺特点 。通过 SEM 照片讨论了液相等 离子体电解渗透层的结构 。测试了液相等离子体电解渗透层 的性能 。结果表明 ,经过渗透处理的试样具有好的耐磨性 、耐 蚀性 ,最大硬度为 770 HV。 关键词 :等离子体 ;渗碳 ;渗氮 ;碳氮共渗 ;渗透层 中图分类号 : TQ174 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 227X (2006) 02 - 0053 - 04 L iqu id pha se pla sma electrolytic carbur iz ing, n itr id ing, carbon itr id ing techn ique / / TIAN Zhan2jun, L I jie, SHEN De2jiu, WANG Yu2lin, L IU kai Abstract: Plasma electrolytic carburizing, nitriding and carbonitriding technique in solution is a novel surface modi2 fication technique, which has many advantages such as: short treating time, low heat influence and immediate quenching effect etc. The p rocess mechanism of the p lasma electrolytic carburizing, nitriding and carbonitriding in solu2 tion was analysed. The p rocess characteristics of the tech2 nics were introduced from aspects of electrolytic solution sys2 tem, experiment equipment and p rocess flow. The structure of the p lasma electrolytic osmotic layer was discussed based on SEM photo. The performance of the p lasma electrolytic osmotic layer was tested. The results show that the samp les after osmotic treatment have better wear resistance and cor2 rosion resistance, and the highest hardness is 770 HV. Keywords: p lasma; carburising; nitriding; carbonitriding; osmotic layer F irst2authorπs address: W ater Parent Company of Q in2 huangdao, Q in2huangdao 066004, China
第 25卷 第 2期 电镀与涂饰 Electrop lating & Finishing Vol. 25 No. 2
【新兴表面处理技术 】
液相等离子体电解渗碳 、渗氮及其碳氮共渗技术
田占军 1 , 李杰 2 , 沈德久 2 , 王玉林 2 , 刘凯 2
(1. 秦皇岛市自来水总公司 ,河北 秦皇岛 066004; 2. 河北省亚稳材料制备技 术与科学重点实验室 ,河北 秦皇岛 066004)