一种结构碳钢表面改性的液相等离子体新技术的制作方法

本发明旨在提出一种高效控制结构碳钢表面形貌的新技术，属于材料加工领域。改性后的合金表面粗糙度明显增大，有利于广泛应用于应用金属材料前处理加工过程与后续的表面镀层。

背景技术：

近几年来，由于结构碳钢具有许多独特的性质，如：高的塑形，韧性，好的焊接性能，高压条件下好的变形性，使其成为最具前景的一类金属材料而被广泛应用作汽车的零部件。为了更好的满足现代汽车行业对金属材料新的要求，如环保、耐用、可靠，因而材料的表面清洗与改性工作显得尤为重要。金属表面清洗与改性技术是表面工程领域中的重要组成部分，目前已扩展到表面工程以外的众多领域，并成为一门相对独立但又与许多专业密切相关的工艺技术，在各种工业生产过程中得到广泛应用，在国民经济及日常生活中有着重要作用和经济价值。金属制件在制造加工、装配、维修以及存储等过程中，表面清洗都是不可或缺的工艺环节，需要有效去除表面附着的防腐油、润滑油、油漆、锈蚀、氧化皮等各种污染物和残留物。好的表面清洗与改性工艺不仅可以起到节约能源、环境保护等重大问题，还可以直接影响到产品的性能和质量，因此，越来越受到国内外学者的高度重视。液相等离子体清洗与表面改性技术可适用于大部分金属及其合金的表面清洗，如去除润滑剂、锈蚀、氧化物等污染物，特别适合于不耐热及不耐溶剂的基体材质，且可以有选择地对材料的整体、局部或复杂结构进行部分清洗；并且在一定程度上可以对金属材料或者合金表面起到一定的改性作用。在众多的清洗技术中，液体等离子体以其环保、低能耗、处理彻底以及可以显著增大材料表面的粗糙度等诸多优点，有望广泛应用于工业中金属材料的前加工过程。

技术实现要素：

针对有机废水处理，表面粗糙度明显增大，有利于广泛应用于金属材料前处理加工过程与后续的表面镀层。

本发明的原理是碳素结构钢表面均匀的气膜覆盖和阀击穿电压是是液相等离子体形成的两个很重要的条件，而焦耳热引起的溶液挥发和溶剂电解导致的流体动力不稳定性使得在试样表面形成液相等离子体，其不但可以清除试样表面杂质，而且可以在试样表面形成均匀的纳米小孔，起到表面改性的作用。

本发明采用sem、xrd、力学性能测试等表征手段对材料进行表面形貌、晶体结构、主要组成成分和物相等测定与分析，研究处理前后材料表面形貌、组织和性能的变化。

本发明技术方案设计新颖合理，重复性好。适用本发明可以无选择的对金属材料进行表面清洗与改性，应用前景非常广泛。

附图说明

图1是本发明液相等离子体处理前后q195结构碳钢的表面扫描电镜照片(a)未处理的样品；(b、c、d、e、f)处理不同时间的样品15s，20s，25s，40s，80s.

图2是本发明液相等离子体处理前后q195结构碳钢的断口扫描电镜照片(a、b、c)未处理的样品断口形貌；(d、e、f)处理25s的样品断口形貌.

图3是本发明液相等离子体处理前后q195结构碳钢的xrd图谱(a)未处理的样品(黑线)；处理25s的样品(紫线).

图4是本发明液相等离子体处理前后q195结构碳钢(a)弹性模量直方图；(b)硬度直方图.

图5是本发明液相等离子体处理前后q195结构碳钢工程应力-应变曲线.

具体实施方案

下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明

实施例1

1、试样制备过程

选取直径为2mm左右的q195碳素结构钢，用电火花切割出80mm的试样。用酒精冲洗掉表面的金属粉末，然后吹风机烘干。

2、试样经液相等离子体清洗过程

(1)将配置好的饱和碳酸氢钠电解液倒入反应槽内，试样穿过试验台的正中间，浸入电解液，电解液会从小孔流出，用进口kui13j小水泵将电解质泵回反应槽内。打开电源和测温装置。按预定程序逐步加载电压和电流，直到产生电解等离子体放电。记录液体环境的温度、阴极周围环境的温度，阴极的表面温度。

(2)影响等离子产生的四个最重要的因素：温度、距离及表面积，稳定其中三个参数，改变最后一个。确定最优化的电流、电压以及两极之间的距离。用最优化的方案处理2mm左右的q195碳素结构钢。

(3)试样后期处理，将试样浸没到装有酒精的烧杯中，进行超声波清洗，然后用吹风机吹干，装入试样袋，并标号记下实验条件。

3、试样表征

(1)扫描电镜分析

利用德国zeisssupra55-fesem型场发射扫描电镜进行显微组织分析。利用背散射模式对氧化前原始试样进行组织观察和成分分析，试样需按照标准机械抛光方法制备。样品在epp前后的表面形貌可直接利用二次电子模式观察表面形貌。

进行截面观察时，需将epp前后试样镶嵌，然后按照标准机械抛光方法制备出截面样品。由于样品截面较小，需要行进冷镶制备样品，在进行电镜观察前需进行喷碳处理，然后利用扫描电镜背散射模式进行观察。在电镜观察的同时，还进行eds点扫描和面扫描，对显微组织进行成分分析。

(2)x射线衍射分析

金属epp前后的物相定性分析是利用x射线衍射仪(xrd)进行的。对于epp处理层很薄，利用掠入射xrd(rigakud/max-2500h)，x射线入射角度小能有效减少基体相的干扰，更好的检测epp前后物相组成，x射线源为cu靶(波长1.5406埃)、电压45kv、电流200ma、掠入射角3°，采用2θ单独连续扫描方式，扫描速度为6°(2θ)/min。

(3)纳米显微力学探针

epp前后金属截面的成分分析还采用了nanoindenterii纳米显微力学探针进行。将液相等离子体处理前后的试样冷镶抛光，每个样品从表层到核心取5个点，连续记录载荷、位移数据，实验载荷。研究液相 等离子体处理前后金属微区力学性能。

(4)力学性能测试

对比分析epp前后金属材料的力学性能，在英斯特朗instron5980系列双立柱落地式拉力机上，进行液相等离子体处理前后拉伸试验的对比。为真实反映epp前后试样晶粒细化，去除抛光过程造成的假象，还对拉伸样品的断面形貌进行二次电子观察。

技术特征：

技术总结
本发明提出了一种高效控制金属材料表面形貌的新技术，属于金属材料表面改性领域。本发明采用自制反应装置，以饱和的NaHCO3溶液为反应溶剂环境，在一定的输入电压与电流下探讨形成稳定的液相等离子体的最优条件。然后，在稳定的液相等离子体环境下，对结构碳钢进行等离子体处理一段时间来达到表面改性的目的。本发明采用液相等离子体处理不会改变金属材料的断裂机制，使材料本身的弹性模量和硬度值都略有降低，但是处理后表面形成的多孔结构可以极大地增大材料的比表面积与粗糙度，有利于材料进行进一步加工与镀层。

技术研发人员：林均品;桂万元;郝国建;梁永锋;杨栩
受保护的技术使用者：南通欧冶新材料有限公司
技术研发日：2016.03.07
技术公布日：2017.09.15