[发明专利]一种等离子体电解硼碳氮三元共渗方法

说明书

本发明公开了一种等离子体电解硼碳氮三元共渗方法，属于金属表面改性热处理技术领域。将金属试样作为阴极，石墨作为阳极，浸入到特定的电解质溶液中；该电解液各组分的重量百分比为:硼砂20～45％、甘油10～18％、尿素5～15％、碳酸钾2～8％、氢氧化钠2～6％、氯化钠1～5％和去离子水30～60％。在室温条件下，对两极施加电压至220V～450V，处理15～35min，即可得到20～35μm的渗硼层。利用此方法得到的渗硼层均匀致密，且由单一Fe₂B相组成，显微硬度达到2000HV左右，耐磨性能得到大幅提升。本发明中渗硼效率、渗剂配置经济环保，设备工艺简单，应用领域广泛。

技术领域

本发明涉及金属表面改性热处理技术领域，特别是指一种金属表面等离子体电解硼碳氮三元共渗的方法。

背景技术

一般金属材料可以通过化学热处理的方法来改变其表面的化学成分、组织和性能。当在金属材料中适当增加碳、氮、硼元素的含量，能够有效的提高金属材料的硬度和耐磨性能，因此延长了材料的使用寿命。金属表面渗碳层硬度可以达到700HV～900HV，渗氮层硬度可达到650HV～1200HV，而渗硼层硬度可以达到1200HV～2300HV，渗硼层不仅耐磨性能比渗碳渗氮层更高，还具有良好的红硬性、耐酸碱腐蚀及抗高温氧化性能。

传统的渗硼技术多采用气体渗硼、固体渗硼、熔盐渗硼等。这些方法对设备要求投资较大，渗硼所需能耗大，所用渗剂多有毒而且工作环境差；另外由于硼在钢中的固溶度非常小，所以渗硼工艺相比渗碳渗氮难度更大，通常需要经过几个小时甚至更长时间才能形成几微米到十几微米的渗硼层，渗硼效率不是很高。专利201410138978.4公布了一种固体渗硼的方法，将金属试样置于加热炉中保温6小时后，可以得到15～23μm的渗硼层，渗硼效率较低。另外，目前的渗硼技术多集中于单元渗硼，这种方法得到的渗硼层多为FeB和Fe₂B的双相结构，由于不同的热膨胀系数和显微硬度导致渗硼层脆性较大，且与金属材料基体的结合能力较差。相对于单元渗硼技术，研究者们认为：如果能得到由硼化物层和碳氮层组成的三元共渗层，将会比单元渗硼更能提高金属的耐磨性能和接触疲劳强度，这对金属的表面性能将有更大的提升。但是目前的渗硼技术在硼碳氮三元共渗方面的研究较少，对三元共渗的机理尚不清楚，还需要进一步探讨。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于金属表面等离子体电解硼碳氮三元共渗的方法。利用此硼碳氮三元共渗方法可以有效调控渗硼层与基体之间过渡层的硬度，提高渗硼层的结合力，大幅降低了渗硼层的脆性。本发明方法渗硼效率高，节能环保，设备简单，可以明显提升金属材料的耐磨性能和使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体如下：

步骤一：对金属试样表面依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#金相砂纸逐级打磨；对打磨好的金属试样在抛光机上进行表面抛光，期间在抛光机上不断注入粒度为0.25μm的金相抛光剂和去离子水，直至使其金属试样表面粗糙度Ra＜0.10nm；再将抛光处理后的金属试样置于超声震荡仪中用丙酮清洗5min～10min，最后用去离子水清洗并用吹风机吹干备用。

步骤二：配制电解溶液，按重量百分比计算，称取硼砂20～45％、甘油10～18％、尿素5～15％、碳酸钾2～8％、氢氧化钠2～6％、氯化钠1～5％和去离子水30～60％混合均匀，并加热几分钟，直至电解液中的溶质完全溶解。

步骤三：将预处理后的金属试样作为阴极，石墨作为阳极，浸入到盛有步骤二所述电解液的电解槽中；在室温条件下，对两极施加电压至220V～450V，处理15～35min，即可得到20～35μm的渗硼层。

步骤四：将硼碳氮三元共渗处理完毕后的金属试样从电解槽中取出，在空气中冷却至常温，然后用去离子水冲洗试样表面、吹干并保存备用。

等离子体电解硼碳氮三元共渗的机理分析：