一种利用电化学液体渗硼提高高熵合金耐磨性能及自润滑性能的方法与流程

1.本发明涉及高熵合金材料技术领域，具体来说是一种利用电化学液体渗硼提高高熵合金耐磨性能及自润滑性能的方法。


背景技术：

2.与以往只有一种至两种主要成分的合金不同，高熵合金是指一种由多种等原子比或近原子比的金属混合而成的多主组元合金；由于其高的混合熵，会抑制金属间化合物和其他复杂有序相的形成，从而倾向于形成简单的单相固溶体，而由于其相互原子之间的相互制约，从而使其拥有优于传统合金的力学性能。
3.摩擦磨损在人类的生产生活中始终存在着，每年由于摩擦过程而消耗的资源占世界工业资源消耗的20％以上，新一代航空航天液压泵等关键零部件承受高速、重载、冲击等苛刻环境服役工况，对合金的耐磨性能提出了新的要求；虽然高熵合金具有优异的结构稳定性，但是其较低的硬度、较高的摩擦系数以及较差的耐磨性能等问题极大限制了其的应用，因此寻求一种方法显著提高高熵合金的耐磨性能以及自润滑性能，同时大幅度提高高熵合金的耐磨寿命是十分有必要的。
4.电化学液体渗硼技术是将工件放入高温下的含硼熔盐中，电流作用下产生的活性硼原子而快速渗入工件表面，通过改变表层成分以及形成化合物来达到改变其耐磨及自润滑性能的方法，具有快速，低成本等优点；克服了传统固体法渗硼技术的组织离散型强、高成本、耗时长等局限性，能够快速制得力学性能可控的高硬度层，检索文献发现，已有采用电化学渗硼对ti合金，合金钢等进行强化处理的报告(王碧侠,程亮,田栋华,马兴飞.tc4钛合金熔盐电解法渗硼[j].稀有金属材料与工程,2016,45(03):709
‑
714；王碧侠,李建新,马兴飞,等.growth kineticsofboride layer produced by molten salt electrolytic boriding on ta2[j].中国有色金属学报,2019,029(001):131
‑
137；谢春洋,孔德军.cr12mov钢渗硼后的组织与性能分析[j].粉末冶金材料科学与工程,2015,20(04):609
‑
615)。
[0005]
为解决现有的高熵合金表面硬度低及自润滑性能较差的问题，最好的方式是在高熵合金表面做渗层，常见的渗碳以及渗氮虽然会提高硬度，但是却无法解决其自润滑能力较差的缺陷，渗硼作为一种常见的形成渗层的手段，在提高其硬度的同时，在水润滑条件下会形成富硼的摩擦膜，使其具有自润滑能力，但是现有的渗硼常用的手段主要为固体渗硼，而固体渗硼渗硼手段时间较长，且成本较高，因此限制了其应用；若能够通过电化学熔盐对高熵合金渗硼，就能够实现快速短时间渗硼处理，且成本相对较低，但当前尚无采用电化学渗硼技术对高熵合金进行强化处理的公开报告。


技术实现要素：

[0006]
针对上述存在的技术不足，本发明提供了一种利用电化学液体渗硼提高高熵合金
耐磨性能及自润滑性能的方法，本发明采用硼元素一方面固溶在高熵合金中形成间隙化合物，提高高熵合金的硬度和耐磨性，另一方面于表面形成硼化物，在与一定的润滑介质结合时能够增强其自润滑能力；有效提升了高熵合金原始样品的硬度和耐磨性。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0008]
一种利用电化学液体渗硼提高高熵合金耐磨性能及自润滑性能的方法，包括如下步骤：
[0009]
步骤1、将高熵合金试样进行表面抛光处理，得到预处理高熵合金；
[0010]
步骤2、熔盐配置：
[0011]
将渗硼原料和助渗剂混合均匀，制得熔盐样品；
[0012]
其中，所述渗硼原料为k2b4o7、na2b4o7、b2o3、h3bo3中的一种或几种的混合，所述熔盐样品中渗硼原料质量百分比为60
‑
100％，当渗硼原料在60％
‑
100％之间变换时，助渗剂也是在0％
‑
40％之间变换；
[0013]
步骤3、渗硼准备：
[0014]
将步骤2的熔盐样品置于坩埚中，待熔盐样品升温至850
‑
1050℃后，搅拌并将步骤1的预处理高熵合金置于熔盐样品中；
[0015]
步骤4、电化学液体渗硼：
[0016]
于无氧条件下，保持步骤3的熔盐样品800
‑
1050℃，在表面电流密度为 100ma
‑
4a/cm2下，保温5
‑
120min后，制得粗电化学液体渗硼高熵合金样品；
[0017]
步骤5、渗硼高熵合金样品的制备：将步骤4的粗电化学液体渗硼高熵合金样品进行表面去熔盐处理，制得渗硼高熵合金样品。
[0018]
优选的，所述步骤1的高熵合金试样包括但不限于alcocrfeni、cocrfenimn、tizrvnbmo、crnbtizr高熵合金试样，高熵合金试样中各元素原子比的比值包括但不限于1。
[0019]
优选的，所述步骤2的助渗剂为na2co3、kbf4、nacl、cacl2、kcl、lacl3、 cecl3中的一种或多种的混合。
[0020]
优选的，所述步骤2的熔盐样品中渗硼原料质量百分比为80％
‑
90％，当渗硼原料在80％
‑
90％之间变换时，助渗剂也是在10％
‑
20％之间变换。
[0021]
优选的，所述步骤4的熔盐样品保持880
‑
930℃，施加的表面电流密度为 100ma/cm2‑
4a/cm2，保温5
‑
120min。
[0022]
优选的，所述步骤4的无氧条件为：电化学液体渗硼操作中持续通入氮气或氩气或二者的混合气体。
[0023]
优选的，所述步骤5中表面去熔盐处理的方法为：将粗电化学液体渗硼高熵合金样品置于不断搅拌的水中并加热。
[0024]
优选的，所述步骤5的去熔盐处理中将水温加热至50
‑
100℃后保持10
‑
200min，并保持磁力搅拌速度为50
‑
800r/min。
[0025]
本发明还保护了制备方法制得的渗硼高熵合金样品。
[0026]
本发明还保护了高熵合金在制备工业机械零部件中的应用。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0028]
1、本发明的创造性在于：本发明利用电化学熔盐渗硼的方法实现短时间的表面渗硼处理，相对于其他渗硼方式，本发明具有处理时间短，对内部组织影响较小与成本相对较
低的优点；相对于其他表面处理方式，本发明在处理后的硬度要高于其他表面处理方式，且本发明处理后的工件由于表面的渗硼层中b元素的缘故，会生成具有自润滑物质。
[0029]
2、本发明可达到的效果为：经过电化学熔盐渗硼处理过的工件具有高的表面硬度，一般在1800hv左右，生成无裂纹且各部分结合力较强的渗硼层，且本发明在水环境及其他一些环境下会体现出显著的自润滑能力。
[0030]
3、硼元素一方面能够固溶在高熵合金中形成间隙化合物，提高高熵合金的硬度和耐磨性，另一方面于表面形成硼化物，在与一定的润滑介质结合时能够增强其自润滑能力；与高熵合金原始样品相比，渗硼后的高熵合金硬度更高，摩擦系数更低，耐磨性更好，因此具有潜在的工程应用价值。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例1的渗硼高熵合金样品与对比例1的原始高熵合金样品的xrd对照示意图；
[0032]
图2为本发明实施例1的渗硼高熵合金样品与对比例1的原始高熵合金样品的sem对照图；
[0033]
其中，a为对比例1的原始alcocrfeni
2.1
高熵合金；b为实施例1制得的于 900℃、10a、30min工艺处理后的alcocrfeni
2.1
渗硼高熵合金；
[0034]
图3为本发明实施例2的渗硼高熵合金样品与对比例1的原始高熵合金样品的硬度对照图；
[0035]
图4为本发明实施例3的渗硼高熵合金样品与及对比例1的原始高熵合金样品在水润滑摩擦及干摩擦下的摩擦系数对照图；
[0036]
图5为本发明实施例3的渗硼高熵合金样品与对比例1的原始高熵合金样品的磨损率对照图。
具体实施方式
[0037]
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0038]
实施例1
[0039]
一种利用电化学液体渗硼增强高熵合金耐磨及自润滑性能的方法，包括如下步骤：
[0040]
所述的高熵合金为alcocrfeni
2.1
，熔盐温度为900℃，表面电流密度为 1a/cm2；
[0041]
步骤1、试样处理：
[0042]
利用线切割将alcocrfeni
2.1
高熵合金试样加工成2cm
×
1.5cm
×
0.6cm大小的块状样品，随后对高熵合金试样进行超声处理除掉表面杂质备用，得到预处理高熵合金；
[0043]
步骤2：熔盐配置：
[0044]
配置80wt％的na2b4o7渗硼原料和20wt％的na2co3助渗剂混合均匀，制得熔盐样品；
[0045]
步骤3、渗硼准备：
[0046]
将步骤2的熔盐样品加入到坩埚中，启动熔盐炉加热至设定温度900℃，搅拌熔盐，使熔盐混合均匀；
[0047]
将步骤1的预处理高熵合金置于渗硼炉中悬挂备用，悬挂位置使预处理高熵合金能够在下降后浸入液体熔盐样品中；
[0048]
步骤4、电化学液体渗硼：
[0049]
于氩气气氛中，对置于熔盐渗硼炉中的alcocrfeni
2.1
高熵合金设定900℃渗硼温度，并施加表面电流密度1a/cm2，为样品的渗硼过程提供活化能，增加高熵合金的渗硼速率，保温30min后，关闭电源，得到粗电化学液体渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品；
[0050]
步骤5、渗硼高熵合金样品的准备：
[0051]
将步骤4的粗电化学液体渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品于沸水中煮 120min，期间磁力搅拌速度为600r/min，制得渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品。
[0052]
实施例2
[0053]
一种利用电化学液体渗硼增强高熵合金耐磨及自润滑性能的方法，包括如下步骤：
[0054]
所述的高熵合金为alcocrfeni
2.1
，熔盐温度为920℃，表面电流密度为 2a/cm2；
[0055]
步骤1、试样处理：
[0056]
利用线切割将alcocrfeni
2.1
高熵合金试样加工成2cm
×
1.5cm
×
0.6cm大小的块状样品，随后对高熵合金试样进行超声处理除掉表面杂质备用，得到预处理高熵合金；
[0057]
步骤2：熔盐配置：
[0058]
配置78wt％的na2b4o7渗硼原料、2wt％的cacl2、20wt％的na2co3助渗剂混合均匀，制得熔盐样品；
[0059]
步骤3、渗硼准备：
[0060]
将步骤2的熔盐样品加入到坩埚中，启动熔盐炉加热至设定温度920℃，搅拌熔盐，使熔盐混合均匀；
[0061]
将步骤1的预处理高熵合金置于渗硼炉中悬挂备用，悬挂位置使预处理高熵合金能够在下降后浸入液体熔盐样品中；
[0062]
步骤4、电化学液体渗硼：
[0063]
于氩气气氛中，对置于熔盐渗硼炉中的alcocrfeni
2.1
高熵合金设定920℃渗硼温度，施加表面电流密度为2a/cm2，为样品的渗硼过程提供活化能，增加高熵合金的渗硼速率，保温30min后，关闭电源，得到粗电化学液体渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品；
[0064]
步骤5、渗硼高熵合金样品的准备：
[0065]
将步骤4的粗电化学液体渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品于沸水中煮 120min，期间磁力搅拌速度为600r/min，制得渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品。
[0066]
实施例3
[0067]
一种利用电化学液体渗硼增强高熵合金耐磨及自润滑性能的方法，包括如下步骤：
[0068]
所述的高熵合金为alcocrfeni
2.1
，熔盐温度为950℃，表面电流大小为 4a/cm2；
[0069]
步骤1、试样处理：
[0070]
利用线切割将alcocrfeni
2.1
高熵合金试样加工成2cm
×
1.5cm
×
0.6cm大小的块状
样品，随后对高熵合金试样进行超声处理除掉表面杂质备用，得到预处理高熵合金；
[0071]
步骤2：熔盐配置：
[0072]
配置78.5wt％的na2b4o7渗硼原料、1.5wt％的nacl、20wt％的na2co3助渗剂混合均匀，制得熔盐样品；
[0073]
步骤3、渗硼准备：
[0074]
将步骤2的熔盐样品加入到坩埚中，启动熔盐炉加热至设定温度950℃，搅拌熔盐，使熔盐混合均匀；
[0075]
将步骤1的预处理高熵合金置于渗硼炉中悬挂备用，悬挂位置使预处理高熵合金能够在下降后浸入液体熔盐样品中；
[0076]
步骤4、电化学液体渗硼：
[0077]
于氩气气氛中，对置于熔盐渗硼炉中的alcocrfeni
2.1
高熵合金设定950℃渗硼温度，施加表面电流大小为4a/cm2，为样品的渗硼过程提供活化能，增加高熵合金的渗硼速率，保温30min后，关闭电源，得到粗电化学液体渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品；
[0078]
步骤5、渗硼高熵合金样品的准备：
[0079]
将步骤4的粗电化学液体渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品于沸水中煮40min，期间磁力搅拌速度为500r/min，制得渗硼alcocrfeni
2.1
高熵合金样品。
[0080]
实施例4
[0081]
一种利用电化学液体渗硼增强高熵合金耐磨及自润滑性能的方法，包括如下步骤：
[0082]
所述的高熵合金为cocrfeni，熔盐温度为880℃，表面电流密度为 100ma/cm2；
[0083]
步骤1、试样处理：
[0084]
利用线切割将cocrfeni高熵合金试样加工成2cm
×
1.5cm
×
0.6cm大小的块状样品，随后对高熵合金试样进行超声处理除掉表面杂质备用，得到预处理高熵合金；
[0085]
步骤2：熔盐配置：
[0086]
配置100wt％的na2b4o7渗硼原料，制得熔盐样品；
[0087]
步骤3、渗硼准备：
[0088]
将步骤2的熔盐样品加入到坩埚中，启动熔盐炉加热至设定温度880℃，搅拌熔盐，使熔盐混合均匀；
[0089]
将步骤1的预处理高熵合金置于渗硼炉中悬挂备用，悬挂位置使预处理高熵合金能够在下降后浸入液体熔盐样品中；
[0090]
步骤4、电化学液体渗硼：
[0091]
于氩气气氛中，对置于熔盐渗硼炉中的cocrfeni高熵合金设定880℃渗硼温度，施加表面电流密度为100ma/cm2，为样品的渗硼过程提供活化能，增加高熵合金的渗硼速率，保温120min后，关闭电源，得到粗电化学液体渗硼cocrfeni 高熵合金样品；
[0092]
步骤5、渗硼高熵合金样品的准备：
[0093]
将步骤4的粗电化学液体渗硼cocrfeni高熵合金样品于沸水中煮10min，期间磁力搅拌速度为800r/min，制得渗硼cocrfeni高熵合金样品。
[0094]
实施例5
[0095]
一种利用电化学液体渗硼增强高熵合金耐磨及自润滑性能的方法，包括如下步
alcocrfeni
2.1
高熵合金硬度对照图，对比发现在渗硼过后高熵合金表层硬度相较于未渗硼得到了显著的提升。
[0116]
采用umt
‑
5多功能摩擦磨损试验机球盘往复实验，评估渗硼后样品的耐磨性能以及在含水条件下的自润滑性能；图4是采用950℃、40a、30min工艺制得的实施例3的渗硼高熵合金样品及对比例1的原始alcocrfeni
2.1
高熵合金样品分别在10n、30min、3hz、行程1mm条件下，在干摩擦和水润滑摩擦下的摩擦系数对比，由图4可以看出：在干摩擦以水润滑摩擦条件下，实施例3的样品的干摩擦(dry)和水润滑摩擦(water)的摩擦系数分别低于对比例1的样品，说明渗硼后有效提升了耐磨损性能。
[0117]
图5是实施例3的渗硼高熵合金样品及对比例1的原始alcocrfeni
2.1
高熵合金样品分别在10n、30min、3hz、行程1mm条件下磨损率的对比，由图5能够看出：在干摩擦及水润滑摩擦条件下，渗硼工件的磨损率均小于对比例1的原始工件。
[0118]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。