本發(fā)明旨在提出一種高效控制結(jié)構(gòu)碳鋼表面形貌的新技術(shù)，屬于材料加工領(lǐng)域。改性后的合金表面粗糙度明顯增大，有利于廣泛應(yīng)用于應(yīng)用金屬材料前處理加工過程與后續(xù)的表面鍍層。

背景技術(shù)：

近幾年來，由于結(jié)構(gòu)碳鋼具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如：高的塑形，韌性，好的焊接性能，高壓條件下好的變形性，使其成為最具前景的一類金屬材料而被廣泛應(yīng)用作汽車的零部件。為了更好的滿足現(xiàn)代汽車行業(yè)對(duì)金屬材料新的要求，如環(huán)保、耐用、可靠，因而材料的表面清洗與改性工作顯得尤為重要。金屬表面清洗與改性技術(shù)是表面工程領(lǐng)域中的重要組成部分，目前已擴(kuò)展到表面工程以外的眾多領(lǐng)域，并成為一門相對(duì)獨(dú)立但又與許多專業(yè)密切相關(guān)的工藝技術(shù)，在各種工業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及日常生活中有著重要作用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。金屬制件在制造加工、裝配、維修以及存儲(chǔ)等過程中，表面清洗都是不可或缺的工藝環(huán)節(jié)，需要有效去除表面附著的防腐油、潤(rùn)滑油、油漆、銹蝕、氧化皮等各種污染物和殘留物。好的表面清洗與改性工藝不僅可以起到節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)等重大問題，還可以直接影響到產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，因此，越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。液相等離子體清洗與表面改性技術(shù)可適用于大部分金屬及其合金的表面清洗，如去除潤(rùn)滑劑、銹蝕、氧化物等污染物，特別適合于不耐熱及不耐溶劑的基體材質(zhì)，且可以有選擇地對(duì)材料的整體、局部或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分清洗；并且在一定程度上可以對(duì)金屬材料或者合金表面起到一定的改性作用。在眾多的清洗技術(shù)中，液體等離子體以其環(huán)保、低能耗、處理徹底以及可以顯著增大材料表面的粗糙度等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望廣泛應(yīng)用于工業(yè)中金屬材料的前加工過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)有機(jī)廢水處理，表面粗糙度明顯增大，有利于廣泛應(yīng)用于金屬材料前處理加工過程與后續(xù)的表面鍍層。

本發(fā)明的原理是碳素結(jié)構(gòu)鋼表面均勻的氣膜覆蓋和閥擊穿電壓是是液相等離子體形成的兩個(gè)很重要的條件，而焦耳熱引起的溶液揮發(fā)和溶劑電解導(dǎo)致的流體動(dòng)力不穩(wěn)定性使得在試樣表面形成液相等離子體，其不但可以清除試樣表面雜質(zhì)，而且可以在試樣表面形成均勻的納米小孔，起到表面改性的作用。

本發(fā)明采用sem、xrd、力學(xué)性能測(cè)試等表征手段對(duì)材料進(jìn)行表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、主要組成成分和物相等測(cè)定與分析，研究處理前后材料表面形貌、組織和性能的變化。

本發(fā)明技術(shù)方案設(shè)計(jì)新穎合理，重復(fù)性好。適用本發(fā)明可以無選擇的對(duì)金屬材料進(jìn)行表面清洗與改性，應(yīng)用前景非常廣泛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明液相等離子體處理前后q195結(jié)構(gòu)碳鋼的表面掃描電鏡照片(a)未處理的樣品；(b、c、d、e、f)處理不同時(shí)間的樣品15s，20s，25s，40s，80s.

圖2是本發(fā)明液相等離子體處理前后q195結(jié)構(gòu)碳鋼的斷口掃描電鏡照片(a、b、c)未處理的樣品斷口形貌；(d、e、f)處理25s的樣品斷口形貌.

圖3是本發(fā)明液相等離子體處理前后q195結(jié)構(gòu)碳鋼的xrd圖譜(a)未處理的樣品(黑線)；處理25s的樣品(紫線).

圖4是本發(fā)明液相等離子體處理前后q195結(jié)構(gòu)碳鋼(a)彈性模量直方圖；(b)硬度直方圖.

圖5是本發(fā)明液相等離子體處理前后q195結(jié)構(gòu)碳鋼工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說明

實(shí)施例1

1、試樣制備過程

選取直徑為2mm左右的q195碳素結(jié)構(gòu)鋼，用電火花切割出80mm的試樣。用酒精沖洗掉表面的金屬粉末，然后吹風(fēng)機(jī)烘干。

2、試樣經(jīng)液相等離子體清洗過程

(1)將配置好的飽和碳酸氫鈉電解液倒入反應(yīng)槽內(nèi)，試樣穿過試驗(yàn)臺(tái)的正中間，浸入電解液，電解液會(huì)從小孔流出，用進(jìn)口kui13j小水泵將電解質(zhì)泵回反應(yīng)槽內(nèi)。打開電源和測(cè)溫裝置。按預(yù)定程序逐步加載電壓和電流，直到產(chǎn)生電解等離子體放電。記錄液體環(huán)境的溫度、陰極周圍環(huán)境的溫度，陰極的表面溫度。

(2)影響等離子產(chǎn)生的四個(gè)最重要的因素：溫度、距離及表面積，穩(wěn)定其中三個(gè)參數(shù)，改變最后一個(gè)。確定最優(yōu)化的電流、電壓以及兩極之間的距離。用最優(yōu)化的方案處理2mm左右的q195碳素結(jié)構(gòu)鋼。

(3)試樣后期處理，將試樣浸沒到裝有酒精的燒杯中，進(jìn)行超聲波清洗，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干，裝入試樣袋，并標(biāo)號(hào)記下實(shí)驗(yàn)條件。

3、試樣表征

(1)掃描電鏡分析

利用德國(guó)zeisssupra55-fesem型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行顯微組織分析。利用背散射模式對(duì)氧化前原始試樣進(jìn)行組織觀察和成分分析，試樣需按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械拋光方法制備。樣品在epp前后的表面形貌可直接利用二次電子模式觀察表面形貌。

進(jìn)行截面觀察時(shí)，需將epp前后試樣鑲嵌，然后按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械拋光方法制備出截面樣品。由于樣品截面較小，需要行進(jìn)冷鑲制備樣品，在進(jìn)行電鏡觀察前需進(jìn)行噴碳處理，然后利用掃描電鏡背散射模式進(jìn)行觀察。在電鏡觀察的同時(shí)，還進(jìn)行eds點(diǎn)掃描和面掃描，對(duì)顯微組織進(jìn)行成分分析。

(2)x射線衍射分析

金屬epp前后的物相定性分析是利用x射線衍射儀(xrd)進(jìn)行的。對(duì)于epp處理層很薄，利用掠入射xrd(rigakud/max-2500h)，x射線入射角度小能有效減少基體相的干擾，更好的檢測(cè)epp前后物相組成，x射線源為cu靶(波長(zhǎng)1.5406埃)、電壓45kv、電流200ma、掠入射角3°，采用2θ單獨(dú)連續(xù)掃描方式，掃描速度為6°(2θ)/min。

(3)納米顯微力學(xué)探針

epp前后金屬截面的成分分析還采用了nanoindenterii納米顯微力學(xué)探針進(jìn)行。將液相等離子體處理前后的試樣冷鑲拋光，每個(gè)樣品從表層到核心取5個(gè)點(diǎn)，連續(xù)記錄載荷、位移數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)載荷。研究液相 等離子體處理前后金屬微區(qū)力學(xué)性能。

(4)力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)比分析epp前后金屬材料的力學(xué)性能，在英斯特朗instron5980系列雙立柱落地式拉力機(jī)上，進(jìn)行液相等離子體處理前后拉伸試驗(yàn)的對(duì)比。為真實(shí)反映epp前后試樣晶粒細(xì)化，去除拋光過程造成的假象，還對(duì)拉伸樣品的斷面形貌進(jìn)行二次電子觀察。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種高效控制金屬材料表面形貌的新技術(shù)，屬于金屬材料表面改性領(lǐng)域。本發(fā)明采用自制反應(yīng)裝置，以飽和的NaHCO3溶液為反應(yīng)溶劑環(huán)境，在一定的輸入電壓與電流下探討形成穩(wěn)定的液相等離子體的最優(yōu)條件。然后，在穩(wěn)定的液相等離子體環(huán)境下，對(duì)結(jié)構(gòu)碳鋼進(jìn)行等離子體處理一段時(shí)間來達(dá)到表面改性的目的。本發(fā)明采用液相等離子體處理不會(huì)改變金屬材料的斷裂機(jī)制，使材料本身的彈性模量和硬度值都略有降低，但是處理后表面形成的多孔結(jié)構(gòu)可以極大地增大材料的比表面積與粗糙度，有利于材料進(jìn)行進(jìn)一步加工與鍍層。

技術(shù)研發(fā)人員：林均品;桂萬元;郝國(guó)建;梁永鋒;楊栩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南通歐冶新材料有限公司
技術(shù)研發(fā)日：2016.03.07
技術(shù)公布日：2017.09.15