CN109504996B - 一种用于钢铁表面dlc复合氧化膜制备的阴极微弧氧化溶液和方法 - Google Patents

一种用于钢铁表面dlc复合氧化膜制备的阴极微弧氧化溶液和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用阴极微弧氧化法在钢铁表面制备类金刚石(DLC)复合氧化膜的溶液和方法，属于材料表面处理领域。该溶液为水溶液，各组分含量：甲醇10‑15％，乙醇胺15‑30％，尿素10‑25％，硫酸镍1‑5％，纳米碳粉1‑4％，氯化钠5‑10％，去离子水25‑55％。具体方法为，待处理钢铁工件作为阴极，石墨作为阳极，共同浸没在装有配置好上述溶液的电解槽中，在室温下迅速将电压升至250V–550V，保持2min‑15min，即可在钢铁表面生成DLC复合氧化膜，其厚度为20μm‑100μm，最高硬度可达1200HV，超过基体四倍以上。本方法工艺简单，适用材料广泛，处理效率高，使钢铁材料硬度和抗摩擦性能显著提升。

Description

一种用于钢铁表面DLC复合氧化膜制备的阴极微弧氧化溶液 和方法
技术领域
本发明属于材料表面处理领域，涉及一种利用阴极微弧氧化方法在钢铁表面制备DLC复合氧化膜的溶液和方法，经处理的钢铁材料可提高其硬度和耐磨性能。
背景技术
钢铁作为最常见的金属材料得到广泛应用，但是大部分型号的钢铁材料特别是低碳钢硬度较低，耐磨性较差。耐磨性要求高的钢铁零部件通常需要进行表面强化处理，以提高它的耐磨和耐蚀性能，常见表面处理方法有淬火热处理，激光硬化，气体渗碳，真空渗碳，离子渗氮及渗硼等。专利200710050131.0和200880005440.9就是在钢铁表面获得渗碳层的传统工艺方法。
微弧氧化是近些年发展起来的一项金属材料表面处理技术，它通过电解液里电极表面微区弧光放电产生的瞬时高温高压作用，在铝、镁、钛等阀金属表面生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。专利201310108560.4就是在锆合金阳极表面获得致密的微弧氧化膜层。在微弧氧化过程中，铝、镁、钛、锆样件通常作为阳极，但钢铁材料不属于阀金属，不易形成高质量的阳极微弧氧化膜。阳极微弧氧化难以生长出致密氧化膜，并且膜层不致密，结合力差，这些限制了膜层摩擦性能的提高。
阴极微弧氧化是近年来在阳极气膜放电基础上发展起来的一种新型钢铁表面处理技术。该技术通常以惰性材料为阳极，待处理工件为阴极，共同浸没在特定电解质液里。在电极间施加一定电压，电流热效应和电解反应使阴极表面形成一层气膜。当电压达到一定程度时，气膜被击穿产生微弧放电。等离子体微弧放电区瞬间高温使电解液分解产生氧原子，氧原子与钢铁表面快速反应，形成一层致密氧化膜。根据专利201310062490.3，经过阴极微弧氧化技术处理可以大幅提高钢铁表面的硬度，同时降低摩擦系数和磨损率。
类金刚石(DLC)是由无定形碳和金刚石相组成的非晶亚稳态碳材料，它由于具有优异的机械、电学、声学、光学、热学、化学特性以及良好的生物相容性而成为人们重点研究的新材料。近年来，利用水溶液中的放电现象制备碳材料的方法受到人们的重视，专利201310097289.9公开了一种利用阴极微弧放电技术制备纳米类金刚石粉末材料的方法。这表明在微弧放电的局部高温高压环境中，在合适的工艺条件下，能够利用等离子体区的瞬间高温高压作用以及氢元素的诱导作用，直接将放电分解的部分活性碳原子或离子键合成sp3C，形成类金刚石成分。
本发明在阴极微弧氧化技术的基础上，通过选择适当的电解液和工艺参数，添加镍基催化剂和纳米碳粉，在放电区形成了类金刚石的合成环境，从而在钢铁表面快速制备出含有DLC成分的复合氧化膜。本方法工艺简单，适用材料广泛，处理效率高，使钢铁材料硬度和抗摩擦性能显著提升。
发明内容
本发明提供了一种新型阴极微弧氧化DLC复合氧化膜的制备方法。该方法改进阴极微弧氧化技术，制备出包含DLC成分的复合氧化膜。将钢铁作为阴极，在专利所述的电解液中对其进行阴极微弧氧化处理，在氧化膜生长的同时，合成一定类金刚石(DLC)成分进入膜层中，形成DLC复合氧化膜。基于该方法制备的复合膜层的最高硬度可达1200HV，提高了钢铁的耐磨损性能。同时，该溶液和工艺适合所有的钢铁材料。具体工艺流程为：
步骤一、配置阴极微弧氧化电解液。以质量百分比计算各组分含量：甲醇10-15％，乙醇胺15-30％，尿素10-25％，硫酸镍1-5％，纳米碳粉1-4％，氯化钠5-10％，去离子水25-55％。
步骤二、对钢铁试样表面进行预处理，用200-1200#砂纸将钢铁表面打磨，用丙酮润洗后，再用去离子水冲洗干净并烘干。
步骤三、将预处理后的试样接入自制的阴极微弧氧化电源的阴极，用石墨做阳极，共同浸没在装有配置好溶液的电解槽中，并不断搅拌；在室温下迅速将电压升至250V–550V，保持2min-15min。
使用上述方法和溶液处理的钢铁表面可以获得一层DLC复合氧化膜，该复合氧化膜的厚度为20μm–100μm，最高硬度可达1200HV。
本发明与以往的钢铁表面硬化方法相比具有显著特点：(1)本发明在以往阴极微弧氧化的基础上，在氧化膜中含有高硬度的DLC成分，使得该复合氧化膜的硬度有大幅提升；(2)本发明所用电解液来源广泛，添加了镍基催化剂，并添加纳米碳粉增加碳源，提升DLC含量和复合氧化膜生长速度；(3)本发明适合各种牌号的钢铁材料，处理效率高，制备过程对环境污染小，电解液可多次重复利用，适合大规模生产。
附图说明
说明书附图1是本发明制备的DLC复合氧化膜横截面扫描电镜照片。
说明书附图2是DLC复合氧化膜的拉曼光谱图，激发波长为633nm，使用功率5mW，扫描范围：200-2000cm-1。通过图2可以看出,在1331cm-1出现了源于sp3键的金刚石特征峰，说明在阴极微弧氧化膜层中含有sp3杂化的类金刚石(DLC)成分。
具体实施方式
根据本发明所述的工作方法和电解液体系，配置了几种电解液，并采用本发明所提供的阴极微弧氧化工艺条件，对Q235低碳钢进行阴极微弧氧化处理，测量不同条件下得到的DLC复合氧化膜的厚度和显微硬度。结合本发明技术方案提供以下实施例：
实施例1
本例中，被处理的钢铁材料是Q235低碳钢试样。
首先对待处理的钢铁材料进行预处理，用砂纸(200#-1200#)对钢表面进行逐级打磨预处理，用丙酮润洗后，再用去离子水冲洗干净并烘干。
然后配置阴极微弧氧化溶液。所述的阴极微弧氧化溶液为：甲醇200mL，乙醇胺200mL，尿素210g，硫酸镍15g，纳米碳粉20g，氯化钠100g，去离子水450mL。
配置好电解液后，将两电极浸没在装有配置好电解液的电解槽中，通气搅拌；在室温下迅速将电压升至420V，保持12min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀DLC复合氧化膜的Q235低碳钢。
切割工件并用胶木粉镶样，打磨抛光后，用Hitachi S-4800扫描电子显微镜测量获得复合氧化膜的厚度为50μm。经HX-1000TM维氏显微硬度计测定，膜层显微硬度为950HV。
实施例2
按照与实施例1相同的方法对Q235低碳钢试样进行预处理，配制电解液和对低碳钢进行阴极微弧氧化处理。与实施例1不同的是，本例中，电解液组分为甲醇240mL，乙醇胺300mL，尿素200g，硫酸镍15g，纳米碳粉15g，氯化钠80g，去离子水560mL。施加电压350V，处理4min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀DLC复合氧化膜的Q235低碳钢。按照实施例1相同的方法测量复合氧化膜的厚度为25μm，膜层显微硬度为610HV。
实施例3
按照与实施例1相同的方法对Q235低碳钢试样进行预处理，配制电解液和对低碳钢进行阴极微弧氧化处理。不同的是，本例中，电解液中甲醇280mL，乙醇胺200mL，尿素300g，硫酸镍15g，纳米碳粉30g，氯化钠100g，去离子水450mL。施加电压520V，处理12min。
经过上述步骤，最后得到表面覆盖一层均匀DLC复合氧化膜的Q235低碳钢。按照实施例1相同的方法测量复合氧化膜的厚度为100μm，膜层显微硬度为1150HV。
采用Horiba LabRAM Aramis拉曼光谱仪检测DLC复合氧化膜的拉曼光谱，确定膜层含有类金刚石(DLC)成分。
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。

Claims (2)

1.一种用于制备DLC复合氧化膜的阴极微弧氧化电解液，其特征在于，所述电解液各组分按质量百分比计算分别为：甲醇10-15％，乙醇胺15-30％，尿素10-25％，硫酸镍1-5％，纳米碳粉1-4％，氯化钠5-10％，去离子水25-55％。
2.一种用于制备DLC复合氧化膜的阴极微弧氧化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、配置权利要求1所述的电解液；
步骤二、对钢铁试样表面进行预处理，用200-1200#砂纸将钢铁表面打磨，用丙酮润洗后，再用去离子水冲洗干净并烘干；
步骤三、将预处理后的试样接入电源阴极，用石墨做阳极，共同浸没在装有配置好电解液的电解槽中，并不断搅拌；在室温下迅速将电压升至250V–550V，保持2min-15min，获得的DLC复合氧化膜厚度为20μm–100μm。
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