低温制备硫涂层工艺的实验研究
低温制备硫涂层工艺的实验研究[20201304195405]
磨损是使零部件失效的重要原因之一。零部件的磨损形式主要分为磨粒磨损、表面疲劳磨损和微动磨损等，为了提高零部件的耐磨性能，通常会采用提高零部件表面硬度和减小零部件表面摩擦系数这两种方法，研究表明渗硫可以达到降低材料表面摩擦系数，减小表面磨损的效果。本课题是通过分析研究低温液体渗硫和低温电解渗硫这个两种实验工艺，从而确定最佳渗硫工艺。
通过对实验结果和数据的分析，低温电解渗硫效果明显好于低温液体渗硫，其中低温电解渗硫的最佳工艺参数为：电压6V、两电极之间距离12cm、渗硫时间20min。
关键字： 耐磨性能 元素扩散 渗硫层 金相组织
1. 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 材料的表面工程及其发展应用 2
1.3 渗硫技术 2
1.4 常用的渗硫方法 3
1.4.1 固体渗硫 3
1.4.2 液体渗硫 3
1.4.3 气体渗硫 4
1.4.4 低温等离子渗硫 4
1.5 渗硫技术的现状与发展前景 5
2. 工艺原理及实验方案设计 7
2.1 理论基础 7
2.1.1 渗硫层减磨机理 7
2.1.2 电解原理 7
2.2 低温液体渗硫工艺 7
2.3 低温电解渗硫工艺 8
2.4 实验试样材料 9
2.4.1 实验试样材料的选取 9
2.4.2 试样的加工与前期预处理 9
2.5 实验方法和过程 9
2.5.1 试样除油处理和除锈处理 10
2.5.2 低温液体渗硫 10
2.5.3 低温电解渗硫 11
2.6 渗硫层初步厚度测量 11
2.7 金相试样的制备 12
2.7.1 镶样 12
2.7.2 预磨试样 12
2.7.3 抛光 13
2.7.4 腐蚀、金相拍照 13
3. 实验结果与分析 14
3.1 渗硫层的表征 14
3.2 工艺参数对低温液体渗硫层的影响 15
3.2.1 稀土种类对渗流层的影响 15
3.2.2 稀土盐量对渗硫层的影响 17
3.2.3 硫化钠量对渗硫层影响 18
3.2.4 渗硫时间对渗硫层的影响 19
3.3 工艺参数对低温电解渗硫层的影响 20
3.3.1 电压对渗流层的影响 20
3.3.2 两极间距离对渗层的影响 22
3.3.3 时间对渗硫层的影响 24
3.4 工艺对渗硫层的影响 26
4. 结论 27
参考文献 28
致谢 29
1. 绪 论
1.1 前言
伴随着社会的发展，能源、材料、信息已然成为国民经济的主要支撑，在这中间材料又为各种行业的根本，先进的工业技术、科学技术和农业技术都需要以先进的材料技术为基础。目前，材料科学已经在好些方面得到了重要的发展，例如：复合材料方面、功能材料与器件的结合、信息功能材料方面以及生物材料等，同时也产生一些新型材料，比如：生物模拟材料、金属纳米级材料等；这开辟了一个崭新的材料时代。伴随着经济的增长和科学的日益发达，对材料高性能的需求日益增大，其要有更加广泛的使用性能、更长的使用寿命、更好的可靠性、更强的环境适应性和更好的价格，当然，不同材料的及使用对象不同，考虑的重点也就不一样，这就对新型技术的研究提出了严格的要求，尤其是金属方面的处理技术。
众所周知，金属的腐蚀和磨损一直是导致其工件失效的两大原因。金属的浸蚀可以分为很多种类，这中间最常见是根据浸蚀历程分为化学腐蚀和电化学腐蚀；还可以根据浸蚀形态分为全面浸蚀和局部浸蚀；局部浸蚀又可分为孔蚀、缝隙浸蚀、晶间浸蚀等，这其中局部浸蚀是最常见的破损形态，有很大的危险，因为不容易计算其浸蚀速率，因此到现在仍是重要研究对象。据统计在浸蚀失效中全面浸蚀占17.8％，局部浸蚀占到了82.2％。针对多重腐蚀失效形式也采用了多种防护形式，例如在腐蚀的溶液中加入缓蚀剂，这能有效的减缓腐蚀的速度，但不能从根本上起到防护作用；对一些电化学腐蚀机理的腐蚀失效，通常采用牺牲阳极材料或阴极材料的阳极保护阴极保护方法，这种防护方法很有效；还可以采取表面处理方法来达到对金属工件防腐蚀的作用[1]。
除了腐蚀会使金属工件失效外，磨损更是使零部件失去其特有功能的主要原因，它所带来的各方面损失非常庞大，在摩擦学研究领域，国际上一般认为，多种磨损造成的零部件失效约占其全部的五分之四，磨损形式非常的繁杂，对于磨损的分类也大都不同，结合历史上对磨损类型的分类方法和长期以来摩擦学发展和实际应用，可以将磨损分类为磨粒磨损、浸蚀磨损、微动磨损等多个方面；虽然磨损的类型很多，但是各种磨损形式很少单独出现，而是以一两种为主的多钟磨损形式同时出现，这也给磨损失效的研究和防护带来了困难[1]。在多种提高零部件耐磨性能的处理方法中，最常用的是提高零部件的表面硬度和减小零部件表面摩擦系数，目前表面改性热处理技术是一种高性能复合化的处理技术，主要通过通过对零件进行渗碳淬火、渗氮、高频淬火等硬化处理来提高其强度和耐摩擦、耐磨损能力，还可以采用其它工艺方法在其表面得到润滑膜，例如涂覆、电镀、硫化层等工艺方法来增加其耐磨损等性能。在减小零部件表面摩擦系数方面，通常可以在摩擦副间加入润滑剂，润滑剂有液体也有固体粉末，最为典型就是润滑油，石墨也可以作为固体润滑剂；在一些不能加入润滑剂的机械设备里，往往需要采用表面处理技术，来减小摩擦系数，零部件表面渗硫就是常用的方法，渗硫技术有很多种，目前常用的是电解渗硫，电解渗硫不仅能达到要求，而且工艺不复杂，成本相对不高，渗硫质量稳定，渗硫技术还能够在不降低零部件表面硬度的前提下减小摩擦系数，这也是其能广泛得到应用的又一重要原因[1][2]。
1.2 材料的表面工程及其发展应用
表面工程一般是指经过预先处理过后，再通过多种表面技术进行处理，进而使得其表层的成分、结构形态等得到良好的变化，以便取得人们所要求的表层性能的系统工程；表面工程大都被用来增强金属工件的表层性能，比如减小磨损、减弱腐蚀、耐疲劳等多种能力，从而来确保零部件能够在速度快、温度高、载荷大等工作条件下稳定而长久的运转；表面工程在近二十年里发展迅速，应用的领域也越来越多；第一阶段大都是以单独工艺的种类增多、并发展到成熟为主要特点，其包括了电刷度、化学热处理、气相沉积等，在第二阶段的发展中就主要以复合表面技术为特征了，同时将两种或两种以上的技术结合到一起应用，例如：热喷涂与电镀的结合、电镀与化学热处理的结合等；现在表面技术已经发展到了以比微米级更细的材料与传统技术相结合的三阶段了，也出现了一些高科技的技术工艺，进入到了使用阶段，比如：纳米电刷镀、纳米等离子喷涂，纳米固体润滑膜等[3]。
本实验采用了表面工程中的化学热处理工艺技术，其主要是应用化学反应来改变零部件表面化学成分和组织结构，使得材料具有优越的性能的热处理技术；化学热处理可以分为以下几个过程：第一步是渗剂电离出为具有活性的原子或者离子；第二步是这些具有活性的离子吸附在零部件表面并被吸收；第三步是渗入的表层的离子不断的向着工件内部扩散的过程。
1.3 渗硫技术
渗硫技术的发展与现代润滑理论是紧紧相连的。现代润滑理论：在发生快速切削时，将会有大量的摩擦热产生，为了增加刀具使用时间，会采用具有较强冷却性能的肥皂水来降温；在进刀力度变大速度变小以后，这个时候摩擦热就不在是主要问题，以此将采用切削油来达到很好的润滑目的；当进刀的力度很大时，此时切削油也不能起到润滑作用；人们尝试着在切削油里添加一些含硫化合物，既然得到了意想不到的效果，润滑效果得到了一定的改善；后来经过研究发现，这主要的原因是硫化物在高温作用下在工件便面形成了一层薄膜，这次薄膜具有优良的润滑效果。有了上面探究的基础，人们在对这层薄膜进行了深入，终于发名了渗硫技术，将硫离子渗入金属的表面，使得金属具有非常好的自润滑效果，其在钢铁上最先得到广泛的应用[4]。
上个世纪中期在法国诞生了Sulf .B. T 法渗硫工艺，自此渗硫技术在钢铁减摩方面应用更加广泛，这也使得更多的国内外研究者进行相关的研究工作，让渗硫技术又得到了进一步的发展，成为了减小模具表面摩擦因数、润滑零部件、提高工件耐磨性能的重要手段。在钢铁等金属表面渗硫成为了一种新型的工艺，法国最早对这种技术进行了研究，苏联的明斯克汽车制造厂的技术人员在1954年左右提出了更加完备的资料；资料显示：在钢铁等金属表面渗硫以后，将会得到一个全新性能的涂层，它能够有效降低表面的摩擦系数，并且在发生摩擦时也不会产生咬合现象，这样可以在不提高金属表面硬度的前提下提高金属表面的耐磨性。因此，它是的一些减摩材料和有色金属的代替使用开辟了更好的前途[5]。
1.4 常用的渗硫方法
1.4.1 固体渗硫
渗硫剂通常是5O～100目的粉状混和物，一般是以FeS 粉为供硫剂，渗硫的主要温度是高温(8oo℃一930℃)和中温(520℃---6O0℃)，保温时间需要按照材料的要求做不同的选择，其工艺类似于固体渗碳。固体渗硫也有不少优点的，例如：使用面广泛、操作要求不高、所需的本金也不多、投资少；缺点就是渗硫时间不短、渗硫层的厚度不均匀、工作环境差、能耗偏大，所以现在在生产上的应用已经少了。
1.4.2液体渗硫
这是到现在为止用的最普遍的渗硫方法，根据温度的不同可以将液体渗硫分为低温和中温渗硫。低温液体渗硫的处理温度一般在170℃左右进行，通常渗硫的主要药品是渗硫剂（(NH2)2CS），其盐浴中还含有辅助药品，由于在降低的温度下进行渗硫，所以需要较长的时间，同时氰化物的蒸发量也少，所带来的危害也就相对小很多，由于处理时间长，容易在渗硫层表面产生FeSO3导致生锈，在低温状态下能够保证零件的硬度不会明显的下降。该方法容易产生有毒的氰化物试剂，对环境产生污染，由于其较低的渗硫温度，从而导致了较慢的渗硫速度，较长的工艺时间和生产周期；但是其成本低廉，容易实现流水线生产，比中温渗硫适用性要广泛一些。
磨损是使零部件失效的重要原因之一。零部件的磨损形式主要分为磨粒磨损、表面疲劳磨损和微动磨损等，为了提高零部件的耐磨性能，通常会采用提高零部件表面硬度和减小零部件表面摩擦系数这两种方法，研究表明渗硫可以达到降低材料表面摩擦系数，减小表面磨损的效果。本课题是通过分析研究低温液体渗硫和低温电解渗硫这个两种实验工艺，从而确定最佳渗硫工艺。
通过对实验结果和数据的分析，低温电解渗硫效果明显好于低温液体渗硫，其中低温电解渗硫的最佳工艺参数为：电压6V、两电极之间距离12cm、渗硫时间20min。
关键字： 耐磨性能 元素扩散 渗硫层 金相组织
1. 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 材料的表面工程及其发展应用 2
1.3 渗硫技术 2
1.4 常用的渗硫方法 3
1.4.1 固体渗硫 3
1.4.2 液体渗硫 3
1.4.3 气体渗硫 4
1.4.4 低温等离子渗硫 4
1.5 渗硫技术的现状与发展前景 5
2. 工艺原理及实验方案设计 7
2.1 理论基础 7
2.1.1 渗硫层减磨机理 7
2.1.2 电解原理 7
2.2 低温液体渗硫工艺 7
2.3 低温电解渗硫工艺 8
2.4 实验试样材料 9
2.4.1 实验试样材料的选取 9
2.4.2 试样的加工与前期预处理 9
2.5 实验方法和过程 9
2.5.1 试样除油处理和除锈处理 10
2.5.2 低温液体渗硫 10
2.5.3 低温电解渗硫 11
2.6 渗硫层初步厚度测量 11
2.7 金相试样的制备 12
2.7.1 镶样 12
2.7.2 预磨试样 12
2.7.3 抛光 13
2.7.4 腐蚀、金相拍照 13
3. 实验结果与分析 14
3.1 渗硫层的表征 14
3.2 工艺参数对低温液体渗硫层的影响 15
3.2.1 稀土种类对渗流层的影响 15
3.2.2 稀土盐量对渗硫层的影响 17
3.2.3 硫化钠量对渗硫层影响 18
3.2.4 渗硫时间对渗硫层的影响 19
3.3 工艺参数对低温电解渗硫层的影响 20
3.3.1 电压对渗流层的影响 20
3.3.2 两极间距离对渗层的影响 22
3.3.3 时间对渗硫层的影响 24
3.4 工艺对渗硫层的影响 26
4. 结论 27
参考文献 28
致谢 29
1. 绪 论
1.1 前言
伴随着社会的发展，能源、材料、信息已然成为国民经济的主要支撑，在这中间材料又为各种行业的根本，先进的工业技术、科学技术和农业技术都需要以先进的材料技术为基础。目前，材料科学已经在好些方面得到了重要的发展，例如：复合材料方面、功能材料与器件的结合、信息功能材料方面以及生物材料等，同时也产生一些新型材料，比如：生物模拟材料、金属纳米级材料等；这开辟了一个崭新的材料时代。伴随着经济的增长和科学的日益发达，对材料高性能的需求日益增大，其要有更加广泛的使用性能、更长的使用寿命、更好的可靠性、更强的环境适应性和更好的价格，当然，不同材料的及使用对象不同，考虑的重点也就不一样，这就对新型技术的研究提出了严格的要求，尤其是金属方面的处理技术。
众所周知，金属的腐蚀和磨损一直是导致其工件失效的两大原因。金属的浸蚀可以分为很多种类，这中间最常见是根据浸蚀历程分为化学腐蚀和电化学腐蚀；还可以根据浸蚀形态分为全面浸蚀和局部浸蚀；局部浸蚀又可分为孔蚀、缝隙浸蚀、晶间浸蚀等，这其中局部浸蚀是最常见的破损形态，有很大的危险，因为不容易计算其浸蚀速率，因此到现在仍是重要研究对象。据统计在浸蚀失效中全面浸蚀占17.8％，局部浸蚀占到了82.2％。针对多重腐蚀失效形式也采用了多种防护形式，例如在腐蚀的溶液中加入缓蚀剂，这能有效的减缓腐蚀的速度，但不能从根本上起到防护作用；对一些电化学腐蚀机理的腐蚀失效，通常采用牺牲阳极材料或阴极材料的阳极保护阴极保护方法，这种防护方法很有效；还可以采取表面处理方法来达到对金属工件防腐蚀的作用[1]。
除了腐蚀会使金属工件失效外，磨损更是使零部件失去其特有功能的主要原因，它所带来的各方面损失非常庞大，在摩擦学研究领域，国际上一般认为，多种磨损造成的零部件失效约占其全部的五分之四，磨损形式非常的繁杂，对于磨损的分类也大都不同，结合历史上对磨损类型的分类方法和长期以来摩擦学发展和实际应用，可以将磨损分类为磨粒磨损、浸蚀磨损、微动磨损等多个方面；虽然磨损的类型很多，但是各种磨损形式很少单独出现，而是以一两种为主的多钟磨损形式同时出现，这也给磨损失效的研究和防护带来了困难[1]。在多种提高零部件耐磨性能的处理方法中，最常用的是提高零部件的表面硬度和减小零部件表面摩擦系数，目前表面改性热处理技术是一种高性能复合化的处理技术，主要通过通过对零件进行渗碳淬火、渗氮、高频淬火等硬化处理来提高其强度和耐摩擦、耐磨损能力，还可以采用其它工艺方法在其表面得到润滑膜，例如涂覆、电镀、硫化层等工艺方法来增加其耐磨损等性能。在减小零部件表面摩擦系数方面，通常可以在摩擦副间加入润滑剂，润滑剂有液体也有固体粉末，最为典型就是润滑油，石墨也可以作为固体润滑剂；在一些不能加入润滑剂的机械设备里，往往需要采用表面处理技术，来减小摩擦系数，零部件表面渗硫就是常用的方法，渗硫技术有很多种，目前常用的是电解渗硫，电解渗硫不仅能达到要求，而且工艺不复杂，成本相对不高，渗硫质量稳定，渗硫技术还能够在不降低零部件表面硬度的前提下减小摩擦系数，这也是其能广泛得到应用的又一重要原因[1][2]。
1.2 材料的表面工程及其发展应用
表面工程一般是指经过预先处理过后，再通过多种表面技术进行处理，进而使得其表层的成分、结构形态等得到良好的变化，以便取得人们所要求的表层性能的系统工程；表面工程大都被用来增强金属工件的表层性能，比如减小磨损、减弱腐蚀、耐疲劳等多种能力，从而来确保零部件能够在速度快、温度高、载荷大等工作条件下稳定而长久的运转；表面工程在近二十年里发展迅速，应用的领域也越来越多；第一阶段大都是以单独工艺的种类增多、并发展到成熟为主要特点，其包括了电刷度、化学热处理、气相沉积等，在第二阶段的发展中就主要以复合表面技术为特征了，同时将两种或两种以上的技术结合到一起应用，例如：热喷涂与电镀的结合、电镀与化学热处理的结合等；现在表面技术已经发展到了以比微米级更细的材料与传统技术相结合的三阶段了，也出现了一些高科技的技术工艺，进入到了使用阶段，比如：纳米电刷镀、纳米等离子喷涂，纳米固体润滑膜等[3]。
本实验采用了表面工程中的化学热处理工艺技术，其主要是应用化学反应来改变零部件表面化学成分和组织结构，使得材料具有优越的性能的热处理技术；化学热处理可以分为以下几个过程：第一步是渗剂电离出为具有活性的原子或者离子；第二步是这些具有活性的离子吸附在零部件表面并被吸收；第三步是渗入的表层的离子不断的向着工件内部扩散的过程。
1.3 渗硫技术
渗硫技术的发展与现代润滑理论是紧紧相连的。现代润滑理论：在发生快速切削时，将会有大量的摩擦热产生，为了增加刀具使用时间，会采用具有较强冷却性能的肥皂水来降温；在进刀力度变大速度变小以后，这个时候摩擦热就不在是主要问题，以此将采用切削油来达到很好的润滑目的；当进刀的力度很大时，此时切削油也不能起到润滑作用；人们尝试着在切削油里添加一些含硫化合物，既然得到了意想不到的效果，润滑效果得到了一定的改善；后来经过研究发现，这主要的原因是硫化物在高温作用下在工件便面形成了一层薄膜，这次薄膜具有优良的润滑效果。有了上面探究的基础，人们在对这层薄膜进行了深入，终于发名了渗硫技术，将硫离子渗入金属的表面，使得金属具有非常好的自润滑效果，其在钢铁上最先得到广泛的应用[4]。
上个世纪中期在法国诞生了Sulf .B. T 法渗硫工艺，自此渗硫技术在钢铁减摩方面应用更加广泛，这也使得更多的国内外研究者进行相关的研究工作，让渗硫技术又得到了进一步的发展，成为了减小模具表面摩擦因数、润滑零部件、提高工件耐磨性能的重要手段。在钢铁等金属表面渗硫成为了一种新型的工艺，法国最早对这种技术进行了研究，苏联的明斯克汽车制造厂的技术人员在1954年左右提出了更加完备的资料；资料显示：在钢铁等金属表面渗硫以后，将会得到一个全新性能的涂层，它能够有效降低表面的摩擦系数，并且在发生摩擦时也不会产生咬合现象，这样可以在不提高金属表面硬度的前提下提高金属表面的耐磨性。因此，它是的一些减摩材料和有色金属的代替使用开辟了更好的前途[5]。
1.4 常用的渗硫方法
1.4.1 固体渗硫
渗硫剂通常是5O～100目的粉状混和物，一般是以FeS 粉为供硫剂，渗硫的主要温度是高温(8oo℃一930℃)和中温(520℃---6O0℃)，保温时间需要按照材料的要求做不同的选择，其工艺类似于固体渗碳。固体渗硫也有不少优点的，例如：使用面广泛、操作要求不高、所需的本金也不多、投资少；缺点就是渗硫时间不短、渗硫层的厚度不均匀、工作环境差、能耗偏大，所以现在在生产上的应用已经少了。
1.4.2液体渗硫
这是到现在为止用的最普遍的渗硫方法，根据温度的不同可以将液体渗硫分为低温和中温渗硫。低温液体渗硫的处理温度一般在170℃左右进行，通常渗硫的主要药品是渗硫剂（(NH2)2CS），其盐浴中还含有辅助药品，由于在降低的温度下进行渗硫，所以需要较长的时间，同时氰化物的蒸发量也少，所带来的危害也就相对小很多，由于处理时间长，容易在渗硫层表面产生FeSO3导致生锈，在低温状态下能够保证零件的硬度不会明显的下降。该方法容易产生有毒的氰化物试剂，对环境产生污染，由于其较低的渗硫温度，从而导致了较慢的渗硫速度，较长的工艺时间和生产周期；但是其成本低廉，容易实现流水线生产，比中温渗硫适用性要广泛一些。
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