[实用新型]一种钢铁表面快速生成渗硼层的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及材料表面改性技术领域，尤其涉及一种用于钢铁表面快速生成渗硼层的材料表面改性的装置。

背景技术

金属材料表面渗层的制备是扩大材料应用范围、改善材料的耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等性能的重要手段和方法。钢铁是在社会各个产业当中运用最广的金属材料，尤其在农业、工程技术和建筑业等方面具有举足轻重的地位。目前，广泛采用化学热处理方法在钢铁中适当增加碳、氮、硼等元素的含量，能够有效地提高钢材表面的耐磨性能，延长零件的使用寿命。相对于渗碳和渗氮，渗硼层的硬度可以达到2000 HV 以上，比渗碳、渗氮层高得多，同时渗硼层还具有良好的耐蚀性及抗高温氧化性能。传统的渗硼工艺多采用气体、液体和固体渗硼法，其他方法还有如电化学渗硼、离子渗硼、自蔓延渗硼等，这些传统渗硼工艺一方面所需时间长，渗透效率较低；同时对设备投资的要求较大，所需要的能耗大。另一方面安全与环保问题难以得到彻底解决，同时钢基体材料在长时间的高温环境中易发生组织性能变化。因此为了进一步提升渗硼的效率并简化工艺设施、提高性价比，需要研制简单实用的装置来满足科研的实际需求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种钢铁表面快速生成渗硼层的装置，可以克服常规渗硼技术的缺点，具有处理时间短、工艺简单、适用范围广的优点。

为实现本实用新型之目的，采用了以下技术方案。

本实用新型的钢铁表面快速生成渗硼层的装置，包括循环水容器、电解槽、水泵、固定件、脉冲直流电源、光谱测量装置和温度测量系统，所述循环水容器一侧下部设有进水口，相对另一侧的上部设有出水口；所述电解槽为不锈钢制成，安置在循环水容器内，在电解槽与循环水容器之间设有绝缘块，电解槽的一侧设有玻璃窗口；所述水泵的出口连通循环水容器的进水口；所述固定件设置在电解槽的上方，固定件的下端延伸至电解槽内、固定好吊挂钢铁工件；所述脉冲直流电源的正极连接电解槽，脉冲直流电源的负极连接钢铁工件；所述的光谱测量装置由光谱仪和光纤组成，光谱仪连接光纤的一端，光纤的另一端正对电解槽的玻璃窗口；所述的温度测量系统由温控仪和热电偶组成，温控仪连接热电偶的一端，热电偶的热敏头插在钢铁工件钻有的孔中。

所述的光谱仪通过电解槽的玻璃窗口接收光信号。

所述的电解槽内放置电解液，所述的循环水容器内放置冷却循环水。

所述的脉冲直流电源的最大输出功率为40kW，电压的可调范围为0-800V。

本实用新型的钢铁表面快速生成渗硼层的装置的工作原理：首先配置所需要的渗硼电解液，电解液由硼砂、含碳氮有机物、氯化盐等按比例组成，其中氯化盐的作用是用来提高电解液的导电性，便于在样品表面形成稳定的放电电弧。将钢铁工件浸入到电解液中，并将工件与脉冲直流电源负极相连，使之作为快速渗硼的阴极，将不锈钢电解槽与脉冲直流电源正极相连，使之作为快速渗硼的阳极。在两极施加电压为260-400V，持续10-40min，初期钢铁工件周围形成气膜，气膜在高压的作用下发生击穿放电，在放电过程有大量的电能转化为热能，电解液的温度升高较快，为此需要将电解槽放在水循环冷却系统中进行冷却，保持快速渗硼过程中电解液温度趋于稳定。随着处理时间增加，在钢铁工件与电解液之间形成稳定的等离子区，其中包含有大量由电解液分解反应产生的活性粒子，活性粒子在高电场和高电压作用下轰击钢铁工件表面并向内部快速扩散，最终在钢铁工件表面快速生成均匀致密的渗硼层。为了分析参与快速渗硼过程中的元素与离子，可以用光纤和光谱仪对快速渗硼过程中的光信号进行采集、分析和谱线的确认；另外将热电偶插入到样品小孔中，从而可以通过热电偶和温控仪来监控快速渗硼过程中样品内部的温度。

本实用新型与现有渗硼技术设备相比，具有的有益效果是：

（1）本实用新型充分利用了等离子化学，热化学和电化学的共同作用，将等离子体弧光放电区所包含的大量硼、碳等活性离子在高电场和高电压等作用下注入到钢铁材料内部。这样会使样品表面浓度升高，强化晶内的扩散，从而提高渗硼的速率，达到快速生成渗硼层的目的。

（2）本实用新型装置构造和工艺流程简单，相对于传统渗硼技术，样品不需要酸洗、抛光等处理，渗硼结束后也不需要保温、退火等处理。安装和使用方便，使用范围广泛。

附图说明

图1为本实用新型主体结构示意图。

图中：1、循环水容器， 2、电解槽，3、水泵，4、固定件，5、脉冲直流电源，6、进水口，7、出水口，8、绝缘块，9、玻璃窗口，10、钢铁工件，11、光谱仪，12、光纤，13、温控仪，14、热电偶。

具体实施方式