专利名称：一种提高钢材耐磨性的表面化学处理方法
技术领域：
本发明涉及一种对钢铁材料表面进行化学处理以提高材料硬度及耐磨性能的方法。
背景技术：
钢铁是全球产量最多的金属，全世界每年需要消耗大量钢铁。钢铁的机械强度高，加工性能好，可以很容易加工成各种各样的制品而被广泛应用在各行各业，各种机械设备、建筑材料及日常生活用具的制造都离不开钢铁。钢铁的消耗、失效的主要原因之一就是磨损。据相关数据统计，每年全世界磨损造成了三分之一左右的钢铁能源与原材料的白白消耗，由磨损所造成的经济方面直接或间接损失达到了数千亿元。因此提高钢铁材料的耐磨性能，开发新型的耐磨钢铁材料降低磨损所造成的损失成为国民经济建设的一项重要任务。一般情况下承受载蓝的零件表面常处于最大应力状态，相互之间直接摩擦并与介质环境相接触。因此，零件的磨损和失效也大多发生在表面或从表面开始，如通过表面强化处理增加材料表面硬度，改善表层组织结构等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性。因此提高钢铁材料耐磨性能，延长钢铁材料使用寿命的有效手段之一是对钢铁材料进行表面强化处理。表面强化处理可以显著改善钢铁材料表面性能，提高材料的强度、耐磨性能以及提高耐腐蚀性能。现阶段材料表面强化处理手段主要包括:1)金属热处理，包括:淬火、正火、调质、碳、氮共渗等。其作用在于提高金属表面硬度、韧性、耐磨性能等。2)功能性镀层，如:镀硬铬、化学镀镍等。其作用在于提高金属表面硬度、耐磨性、防腐及装饰功能。3)其他表面处理方法，包括:机械滚压、等离子注入等，其作用在于提高金属零件表面硬度和耐磨性。
但另一方面钢铁材料的传统的表面强化处理方法也不得不面对工艺复杂、成本较高以及对环境的不友好等缺点，针对这一情况，期望开发一种强化效果更好，工艺更简单以及更加环保的表面强化工艺。
发明内容
技术问题:本发明提供一种可以提高材料的硬度及耐磨性能、可在钢铁材料表面生成高强度、高致密度、耐腐蚀、耐磨损金属化合物层的提高钢铁材料耐磨性的表面化学处
理方法。技术方案:本发明的提高钢铁材料耐磨性的表面化学处理方法，包括以下步骤:
a.先除去钢铁材料表面污溃及氧化物，然后将表面清理好的钢铁材料进行干燥；
b.将干燥后的钢铁材料放入压力釜中与反应剂进行反应，反应剂为100g/L 150g/L的钥酸氨水溶液，反应条件为:pH值2 3、温度150°C 180°C、通入惰性气体加压至1.5MPa 1.8MPa、时间 2 h 3h ;
c.把反应后的钢铁材料载还原气氛下加热至70(T750°C，保温30mirT45min。
本发明方法使钢铁材料在高温高压的条件下与钥酸铵水溶液发生物理化学反应，使钢铁材料表面生成富钥的金属化合物层。有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
本发明提出了一种简单易行并且环保的表面强化处理工艺，通过钢铁材料与钥酸氨溶液在高温高压的条件下发生物理化学反应使钢铁材料表面生成0.r0.3mm富钥的金属化合物层，如图1所示，可以明显看出材料表面生成一层0.广0.3_颜色较浅的富钥层。。该金属化合物层具有高强度、高致密度、耐腐蚀、耐磨损，从而提高钢铁材料表面强度、耐磨性以及耐腐蚀性，是制备机械行业中磨损较大零件的一种良好的方法。该物理化学过程的基本原理:钢铁材料在高温和高压(150 V 180 V、1.5^1.8MPa)的条件下，I)钢材表面的微量具有还原性金属将钥酸氨中钥还原出来；2)铁会与硫酸反应生成硫酸铁及部分硫酸亚铁；3)亚铁离子会与钥酸氨反应将钥还原出来；4)体系中生成的三价铁会与钥酸氨反应生成钥酸铁；5)钥酸铁在700°C 750°C还原气氛下会还原成铁、钥单质以及铁钥合金。体系中相关物理化学反应如下:
2 IMe+ Mo7O2广 +24H-— 21Me2++7Mo+12H20Fe+ 2F — Fe2++H2 f2Fe+ 6H_ — 2Fe3++3H2 tFe+2 Fe3+ — 3Fe2+
42Fe2+ + Mo7O2, +42F — 42Fe3++7Mo+24H20Mo7O246 +Fe3+ — Fe2 (MoO4) 3
Fe2 (MoO4) 3+ 6H2 个—2Fe+3Mo02+6 H2OMoO2+ 2H2 f — Mo+ 2H203Fe+Mo — Fe3Mo
反应体系中高温、高压促进了反应速率，节省了反应时间。反应后生成以金属化合物Fe3Mo为主的富钥层，钥含量在12 26%左右，大大的提高了钢铁材料的表面强度、耐磨性以及耐腐蚀性。反应后产生的废液重新调整钥酸铵浓度可以返回前段工序使用，排放气体为氢气可以回收利用，整个过程比较环保。综上所述，本发明以一种简单易行并且环保的表面强化处理工艺，通过钢铁材料与钥酸氨溶液在高温高压的条件下发生物理化学反应使钢铁材料表面生成0.r0.3mm富钥的金属化合物层。该金属化合物层具有高强度、高致密度、耐腐蚀`、耐磨损，从而提高钢铁材料表面强度、耐磨性以及耐腐蚀性，并且制备方法工艺简单，成本相对较低，可以大规模生产。
图1为钢铁材料经过本发明方法表面强化处理后的SEM图。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明做进一步具体说明。实施例1:将牌号为40Cr的钢材表面先酸洗，再用清水漂洗干净，去除表面污溃及氧化物。将表面清理干净的40Cr放入120°C的烘箱中真空干燥，直至表面彻底干燥。将干燥后的钢铁材料放入压力釜中并加入配好的浓度为100g/L的钥氨酸溶液直至淹没，并用硫酸调节反应溶液在pH值为2 3之间。待压力釜安装好后开始加热并通入氮气加压，待材料在150±5°C、1.5^1.8MPa以及pH值2 3条件下反应2小时后开始减压，降温并卸釜取出40Cr。将取出的40Cr放入管式电阻炉中通氢气加热至700°C保温30mirT45min。待随炉冷却后取出清洗表面并干燥，直至表面彻底干燥后涂抹防锈油即得到成品。实施例2:
将牌号为Crl2的钢材表面先酸洗，再用清水漂洗干净，去除表面污溃及氧化物。将表面清理干净的Crl2放入120°C的烘箱中真空干燥，直至表面彻底干燥。将干燥后的钢铁材料放入压力釜中并加入配好的浓度为120g/L的钥氨酸溶液直至淹没，并用硫酸调节反应溶液在pH值为2 3之间。压力釜安装好后开始加热并通入氮气加压，待材料在160±5°C、1.5^1.8MPa以及pH值2 3条件下反应2小时后开始减压，降温并卸釜取出Crl2。将取出的Crl2放入管式电阻炉中通氢气加热至730°C保温30mirT45min。待随炉冷却后取出清洗表面并干燥，直至表面彻底干燥后涂抹防锈油即得到成品。实施例3:
将牌号为4Crl3钢材表面先酸洗，再用清水漂洗干净，去除表面污溃及氧化物。将表面清理干净的4Crl3放入120°C的烘箱中真空干燥，直至表面彻底干燥。将干燥后的钢铁材料放入压力釜中并加入 配好的浓度为150g/L的钥氨酸溶液直至淹没，并用硫酸调节反应溶液在PH值为2 3之间。压力釜安装好后开始加热并通入氮气加压，待材料在180±5°C、
1.5^1.8MPa以及pH值2 3条件下反应2小时后开始减压，降温并卸釜取出4Crl3。将取出的4Crl3放入管式电阻炉中通氢气加热至750°C保温30mirT45min。待随炉冷却后取出清洗表面并干燥，直至表面彻底干燥后涂抹防锈油即得到成品。经过表面强化处理后钢材的抗氧化、硬度与耐磨性能对比:
权利要求
1.一种提高钢铁材料耐磨性的表面化学处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: a.先除去钢铁材料表面污溃及氧化物，然后将表面清理好的钢铁材料进行干燥； b.将干燥后的钢铁材料放入压力釜中与反应剂进行反应，所述反应剂为IOOg/L^150g/L的钥酸氨水溶液，反应条件为:pH值2 3、温度150°C 180°C、通入惰性气体加压至 1.5MPa 1.8MPa、时间 2 h 3h ; c.把反应后的钢铁材料在 还原气氛下加热至70(T750°C，保温30mirT45min。
全文摘要
本发明公开了一种提高钢铁材料耐磨性的表面化学处理工艺方法，先除去钢铁材料表面污渍及氧化物并进行干燥，然后将干燥后的钢铁材料放入压力釜中与反应剂进行反应，反应剂为100g/L~150g/L的钼酸氨水溶液；反应条件为pH值2~3、温度150℃~180℃、通入惰性气体加压1.5MPa~1.8MPa、时间2h~3h。最后把反应后的钢铁材料在还原气氛下加热至700~750℃，保温30min~45min。本发明方法可以使钢铁材料表面生成0.1~0.3mm富钼的金属化合物层，提高钢铁材料的强度、耐腐蚀和耐磨损性能。反应生成的废液调节钼酸铵浓度后可以循环使用，整个过程具有环保、经济和操作简单等特点。
文档编号C23C22/82GK103205739SQ201310153048
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者巨佳, 薛烽, 周健, 白晶, 孙扬善 申请人:东南大学