钢铁表面液相等离子体电解快速渗硼机理研究

针对目前常规的渗硼、渗碳及渗氮技术处理温度高、保温时间长的缺点，本申请利用液相等离子体放电方法在常温电解液里实现钢铁表面硼元素快速渗入，渗入过程在几分钟之内完成。研究液相等离子体电解渗硼的基本工艺条件和气膜放电区发生的物理化学反应，在典型钢铁材料表面实现渗硼及硼碳氮多元共渗。研究各种渗硼层的组织结构、成分和性能，弄清多元共渗和复合渗层的成分分布及扩散过渡区对性能的影响。分析B、C、N活性原子或离子在弧光放电区的形成过程及它们在钢铁基体内的扩散规律，研究放电结束时淬火效应对相组成影响，弄清不同成分钢铁材料和各种渗透条件下渗层内发生的相变。对等离子体电解渗硼及硼碳氮共渗建立一个合理的渗层形成机制，阐明等离子体电解渗硼层能够快速生成的原因。本项目的完成不仅发展和丰富现有的渗硼及多元共渗理论，而且为等离子体电解渗硼层的结构调控及工艺优化提供理论指导，并为钢铁材料表面强化提供一种快速渗硼新方法。

本项目利用液相等离子体放电现象在Q235、T8等典型钢铁材料表面实现了等离子体电解快速多元渗硼。重点研究了硼碳二元共渗和硼碳氮三元共渗，并与渗碳工艺进行比较。分析了多元渗硼层的形貌、组织结构、成分和性能，测量发射光谱并计算出等离子体放电区的电子温度、电子浓度和电离度，讨论了等离子体电解渗硼层能够快速生长的原因。结果表明渗层由F2B渗硼层和过渡层组成，渗硼层厚度均匀，没有出现传统渗硼工艺中硼齿现象。硼碳氮三元共渗层硬度达到2400HV，高于硼碳二元共渗层硬度1800HV，主要是由于产生的氮化物提高了渗硼层的硬度。经过等离子体电解渗硼处理后，碳钢的摩擦系数大幅降低，耐磨性提高至少1个数量级，并且在高温环境中仍然保持良好抗磨损性能。研究还发现渗硼层具有良好的抗高温氧化性能，不同厚度渗硼层的抗高温氧化性能几乎相近。电化学腐蚀测试表明渗硼处理后碳钢的耐蚀性略有提高，并随渗层厚度增加而增加。研究发现多元渗硼是改善渗硼层脆性的有效方法，另外，采用复合渗工艺可以提高渗硼层的厚度均匀性。研究表明，等离子体电解渗过程中，碳在钢内扩散系数为1.39×10-7cm2•s-1，比传统渗碳过程中碳在奥氏体中的扩散系数提高约7倍，它的扩散激活能为132.8 KJ/mol，明显低于传统渗碳过程中碳的扩散激活能。等离子体放电区粒子轰击作用降低了碳原子扩散激活能，促进碳原子在钢内部快速扩散，这是等离子体电解渗层快速生长的重要原因。通过测量放电结束瞬间工件的降温曲线，确认放电结束时淬火效应不明显，原因在于样品周围气膜层延缓了工件的快速冷却。利用液相等离子体放电合成出类金刚石(DLC)，获得包含DLC成分的复合渗层。部分研究成果获汤姆.贝尔青年作者奖。本项目的完成不仅发展和丰富现有的渗硼及多元共渗理论，而且为钢铁材料表面强化提供了一种快速渗硼新方法，具有较大应用价值。