一种用于低碳钢表面渗硼的电解液的制作方法

本发明涉及钢铁表面热处理技术领域，特别是指一种用于低碳钢表面渗硼的电解液。

背景技术：

众所周知，低碳钢是一种价格低廉，而且具有良好塑形和韧性的钢材，常用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体、农机具及强度与耐磨要求不高的机械零件。但由于低碳钢硬度较低，耐磨性能较差，其使用范围受到限制。通过在低碳钢表面渗硼，可以大幅提高低碳钢的表面硬度和耐磨性能，这使得低碳钢工件使用寿命大幅度提高，可以用来替换某些价格较贵的钢铁和合金钢材料。

传统的渗硼方法如固体渗硼、膏剂渗硼等所采用的渗硼剂导热性能较差，所需要渗硼的时间比较长，而且渗硼成本较高，对环境造成的污染也较大。专利02109879.4公开了一种硼碳氮三元共渗的固态渗硼剂，其化学成分为氯化稀土1.5～3％，碳化硼5～12％，氟硼酸钾10～20％，粘结剂1～3％，碳化硅余量；经过120分钟共渗后形成的渗硼层硬度仅为1050hv；专利201210066597.0和专利201410397567.7所用的渗硼剂分别含有氟硼酸钾和氟硅酸钠，这两种物质都具有毒性，而且会强烈刺激眼睛和呼吸系统，所以对工作环境和保护措施要求比较高，这对渗硼技术的广泛应用起到很大限制作用。

液相等离子体电解渗是一种新型的钢铁表面改性技术。该技术在特定的电解液中，以被处理的钢铁材料作为阴极，惰性材料石墨作为阳极，通过增加施加电压在钢铁工件表面形成等离子体鞘层；产生的等离子体中含有大量活性粒子，它们在局部高温高压的作用下向钢铁内部快速扩散，在短时间内即可获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗透层。这些特征使得该技术在钢铁等离子体电解快速渗硼方面的应用具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于低碳钢表面渗硼的电解液。通过本渗硼电解液既可以明显提升渗硼效率，又可以提高渗硼层的硬度和耐磨性能，而且本渗硼电解液安全性较高，是一种经济环保的渗硼电解液。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

电解液组分按下述重量百分比配置而成:十水四硼酸钠15～45％，甘油8～20％，尿素5～15％，六水合硝酸铈3～10％，去离子水25～55％和添加剂2～8％。

所述的添加剂选自碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钾、氯化钠中的一种或多种。

本发明的有益效果是：(1)所用电解液溶质安全性较高，经济环保，而且渗硼剂可循环利用，再次使用时只要按比例添加所需溶质即可；(2)本电解液在渗硼处理过程中会产生多种活性粒子，渗透到钢件表面后会形成硬度较高的过渡层，这会降低渗硼层与基体之间的硬度梯度，从而降低渗硼层的脆性；(3)通过本电解液可以在短时间内形成较厚的渗硼层，大幅提升了渗硼的效率，而且生成的渗硼层具有很高的硬度和耐磨性能。

附图说明

图1是实施例1中试样的渗层截面组织形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

选用q235低碳钢作为渗硼试样，依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级对试样表面进行抛光打磨，使其粗糙度ra＜0.200μm，用去离子水将钢铁试样清洗干净后，再将试样置于装有丙酮的超声震荡仪中清洗5min～10min，最后用去离子水清洗并用吹风机吹干备用。

按下述组分配置电解液:1750g十水四硼酸钠、380ml甘油、240g尿素、180g六水合硝酸铈、2000g去离子水、85g碳酸钾和75g氯化钾。

将q235低碳钢试样浸泡在电解槽中，并将试样作为阴极，石墨作为阳极，施加330v电压，处理25min；处理完毕后，将试样从电解槽中取出，在空气中空冷至常温，然后用去离子水冲洗样品表面、吹干并保存备用。

处理后的低碳钢试样的渗层截面组织形貌如图1所示，渗硼层组织均匀致密，厚度为25～30μm，经x射线衍射分析(xrd)得知渗硼层主要由单一fe2b相组成。渗硼层显微硬度在2200hv左右，而且在渗硼层与基体之间的过渡层硬度为170hv～800hv，过渡层有效降低了渗硼层与基体之间的硬度梯度，所以减弱了渗硼层的脆性，提升了与基体的结合力。利用ht-1000球-盘式摩擦磨损实验机设定转速300rpm，载荷为5n，对处理后的试样持续摩擦10min，测得摩擦系数稳定在0.05～0.10，远比基体摩擦系数要小，耐磨性能显著提高。

实施例2

选用q235低碳钢作为渗硼试样，依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级对试样表面进行抛光打磨，使其粗糙度ra＜0.200μm，用去离子水将钢铁试样清洗干净后，再将试样置于装有丙酮的超声震荡仪中清洗5min～10min，最后用去离子水清洗并用吹风机吹干备用。

按下述组分配置电解液:1600g十水四硼酸钠、360ml甘油、230g尿素、150g六水合硝酸铈、2000g去离子水、65g碳酸钠和70g氯化钠。

将q235低碳钢试样浸泡在电解槽中，并将试样作为阴极，石墨作为阳极，施加340v电压，处理25min；处理完毕后，将试样从电解槽中取出，在空气中空冷至常温，然后用去离子水冲洗样品表面、吹干并保存备用。

经测量处理后的低碳钢试样的渗硼层组织均匀致密，厚度为16～20μm，显微硬度在1900hv左右，渗硼层主要由单一fe2b相组成，试样表面摩擦系数为0.10-0.15。

实施例3

选用q235低碳钢作为渗硼试样，依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级对试样表面进行抛光打磨，使其粗糙度ra＜0.200μm，用去离子水将钢铁试样清洗干净后，再将试样置于装有丙酮的超声震荡仪中清洗5min～10min，最后用去离子水清洗并用吹风机吹干备用。

按下述组分配置电解液:950g十水四硼酸钠、400ml甘油、350g尿素、125g六水合硝酸铈、2000g去离子水、55g碳酸钾和50g氯化钾。

将q235低碳钢试样浸泡在电解槽中，并将试样作为阴极，石墨作为阳极，施加310v电压，处理25min；处理完毕后，将试样从电解槽中取出，在空气中空冷至常温，然后用去离子水冲洗样品表面、吹干并保存备用。

经测量处理后的低碳钢试样的渗硼层组织均匀致密，厚度为15～18μm，显微硬度在1800hv左右，渗硼层主要由单一fe2b相组成，试样表面摩擦系数为0.10-0.15。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种用于低碳钢表面渗硼的电解液，其电解液组分按下述重量百分比配置而成:十水四硼酸钠15～45％，甘油8～20％，尿素5～15％，六水合硝酸铈3～10％，去离子水25～55％和添加剂2～8％。将低碳钢试样浸泡在电解槽中，并将试样作为阴极，石墨作为阳极，施加电压，处理30min左右，可以形成由单一Fe2B相组成的渗硼层，而且渗硼层具有很高的硬度和耐磨性能。该渗剂经济环保，安全性高，可广泛用于各类钢铁和合金钢的化学热处理。

技术研发人员：王彬;程彩萍;张小娟
受保护的技术使用者：山西农业大学
技术研发日：2017.09.16
技术公布日：2019.03.26