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液相等离子体电解渗透技术

液相等离子体电解渗透技术. 报告人：梁瑜. 表面事业部. 主要内容. 液相等离子体电解渗透技术的研究意义. 液相等离子体电解渗透技术的简介. 这项技术的研究进展. 这项技术的展望. 液相等离子体电解渗透技术的研究意义. 高强度、高韧性、容易加工、成本低. 优点. 钢铁材料. 易锈蚀和易磨损. 缺点. 解决方案. 选用和研制高性能 的整体钢铁材料. 采用表面工程技术. 液相等离子体电解渗透技术的简介.

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液相等离子体电解渗透技术

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Presentation Transcript

  1. 液相等离子体电解渗透技术 报告人：梁瑜 表面事业部

  2. 主要内容 液相等离子体电解渗透技术的研究意义 液相等离子体电解渗透技术的简介 这项技术的研究进展 这项技术的展望

  3. 液相等离子体电解渗透技术的研究意义 高强度、高韧性、容易加工、成本低 优点 钢铁材料 易锈蚀和易磨损 缺点 解决方案 选用和研制高性能 的整体钢铁材料 采用表面工程技术

  4. 液相等离子体电解渗透技术的简介 • 它在开放的大气环境下将工件放入含碳、氮和硼的电解液中，通过钢铁表而的弧光放电，在几十秒到几分钟时间内即可获得高硬及耐磨、耐蚀的渗透层，渗前处理非常简单，是一种很有应用前景的表面处理技术。 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-冷却系统5-试样6-电解液 7-搅拌系统8-绝缘装置9-阳极不锈钢容器10-冷却水

  5. 等离子体电解氧化PEO (Plasma Electrolytic Oxidation) Al, Mg, Ti等轻金属及其合金材料 等离子体电解沉积PED (Plasma Electrolytic Deposition) 等离子体电解渗透PES (Plasma Electrolysis Saturation) 钢铁材料

  6. 经典的电解过程 即基本的电极过程 阴极过程 阳极过程 溶液电解 阳离子还原 阳极氧化 阳极渗透 氧化处理 PEO 渗透处理 PES 等离子体电解沉积 PED

  7. 液相等离子体电解渗透技术发展历程 一个多世纪以前俄国科学家Sluginov N.P等人 就发现了传统阳极氧化过程中电极表面的火花放电现象。 上世纪70年代Markov等人研究了如何 在铝阳极表面使用电弧放电进行氧化沉积 由于放电作用，被处理的工件表面会被加热到很高的温度， Lazarenko等人使用该技术对金属表面进行热处理的研究 随后Duradzhy等人研究了等离子电解加热过程中的热扩散效应， 并在其中发现了电解液中的元素素渗透进入工件基体的现象。 参考文献：Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., et al. Plasma electrolysis for surface engineering [J]Surface Coating Technology, 1999, 122: 73一93

  8. 技术的适用范围 纯铁 铸铁 多数类型的钢

  9. 使用的电解液体系 有机化合物（提供C, N源） （如甲酰胺、尿素、乙醇胺等） 电解液 易溶盐(如氯化钠或氯化钾等) 水

  10. 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

  11. 液相等离子体电解渗透技术的基本原理 • 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碳氮活性原子，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: • 1，一方面，使工件表面的活性原子的浓度提高； • 2，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。

  12. 电解液中尿素的电解 尿素分解产生活性的碳原子 尿素分解产生活性的氮原子 总的反应式

  13. [1] Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., et al. Plasma electrolysis for surface engineering [J]Surface Coating Technology, 1999, 122: 73一93 渗层厚度随时间温度的增加而增加 [2]Cavuslu, F. and M. Usta. "Kinetics and mechanical study of plasma electrolytic carburizing for pure iron.

  14. Q235钢经过碳氮共渗处理过后渗层的XRD图 表面组织为高碳马氏体，弥散分布的碳化物及少量残余奥氏体，具有高硬度，优异耐磨性。

  15. 渗透处理后渗层的硬度变化:

  16. 纯铁渗碳处理后渗层磨损率的变化 参考文献：Cavuslu, F. and M. Usta. "Kinetics and mechanical study of plasma electrolytic carburizing for pure iron.

  17. Q235碳氮共渗层的耐腐蚀性能 处理过后的样品 腐蚀极化曲线 参考文献：液相等离子体电解碳氮共渗技术研究-李杰

  18. 燕山大学的李杰等人对Q235钢碳氮共渗处理后渗透层的最大硬度为770 HV，而基体的硬度只有170 HV[2]。 2006 1997 2010 2012 2011 薛文斌等人对304钢进行渗碳处理，在80%甘油体系中经过5 min的快速放电处理，渗碳层厚度接近100µm硬度达到880 HV[3]。 聂学渊对20钢进行碳氮共渗处理后采用71型显微硬度计测得渗透层的硬度最高可达1200 HV [1] 智二攀在尿素体系下对工具钢H13进行液相等离子电解碳氮共渗研究，对于热处理后的试样峰值可达1200 HV, 而基体硬度只有450HV左右，对于原始态的试样峰值可1050HV，而基体硬度只有190HV[5]。 • 研究进展 F. C avus lu, M. Usta等人是在20%甘油电解液体系下对纯铁进行渗碳处理,渗透层最大硬度为935 HV , 而基体的硬度仅为150 HV [4] [4] Cavuslu, F. and M. Usta. "Kinetics and mechanical study of plasma electrolytic carburizing for pure iron. [5]樊二智.磨具钢液相等离子体电解渗透的初步研究「D].华南理工大学，2010 [4] Cavuslu, F. and M. Usta. "Kinetics and mechanical study of plasma electrolytic carburizing for pure iron. [5]樊二智.磨具钢液相等离子体电解渗透的初步研究「D].华南理工大学，2010 [1]快速表面改性技术研究-聂学渊 [2]液相等离子体电解碳氮共渗技术研究-李杰 [3]薛文斌,金乾,等.甘油体系中不锈钢表面液相等离子体电解渗碳工艺

  19. 展望 • 液相等离子体电解渗透技术与传统的表面强化技术相比，具有渗透速度快、前处理简单、工作电压低、工件无变形、工艺简单等优点，是一种很有发展前途的表面改性技术，未来的研究将集中在以下几方面: • (1)液相等离子体电解渗透基础理论的研究工作进展缓慢，材料科学工作者仍在试图从反应机理的角度建立液相等离子体渗透的机理模型，来对具体的工艺要求加以指导。 • (2)电解渗透工艺仍需进一步改进，以便在试验成熟的条件下，应用于工业生产。 • (3)临界渗入条件的探索，应用此技术处理不同的材料时，渗入电压和渗层厚度、渗入时间和渗层厚度等的关系可以做进一步探讨和理论化。 • (4)渗入元素的多元化研究，目前液相等离子体电解渗透技术大部分都集中在渗碳、渗氮和碳氮共渗的研究，例如渗硼等还需要进一步研究。 • (5)渗透技术的全面化。目前液相等离子电解渗透技术主要侧重于工件为阴极，工件作为阳极的液相等离子体电解渗透技术还没有开展。

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