一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置及其方法制造方法及图纸

为了解决急需一种低成本、快速的表面改性技术来实现金属表面超润滑（简称超滑）的问题，本发明专利技术提供了一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置及其方法，包括电炉和安装在电炉旁的升降架，电炉内腔放置有外石墨坩埚，在外石墨坩埚内放置有内石墨坩埚，升降架上有夹持盘，夹持盘上安装有阳极石墨电极、试样挂载梁和氩气输送管，试样挂载梁与电源的负极连接，电炉上还设置有测温热电偶和排烟抽气管。本发明专利技术装置具有渗硼速率快，低成本等优点，电化学渗硼15min便可以获得30

【技术实现步骤摘要】
一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置及其方法


[0001]本专利技术属于金属表面处理
，具体涉及一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置及其方法。

技术介绍

[0002]国新办发布《新时代的中国能源发展》白皮书，明确指出了我国“碳中和”的目标。据资料显示，摩擦消耗了全球约1/3的一次能源。因此，发展新能源和降低摩擦损耗是实现“碳中和”目标的主要途径之一。
[0003]超润滑技术是目前解决摩擦磨损问题的一个重要手段。超润滑是指发生相对运动的物体间的摩擦力几乎为零甚至完全消失的润滑状态。理论上讲，超润滑可以实现近零摩擦和近零磨损。但由于摩擦系统中各种因素的干扰，通常将摩擦系数小于0.01的润滑状态称为超润滑。
[0004]现有的表面改性技术表明类金刚石薄膜（DLC）和二维材料（石墨、石墨烯、二硫化钼等）对于实现固体超润滑具有巨大的潜力。然而对环境的敏感性限制了其应用，研究表明：富氢DLC薄膜能在真空和惰性环境下实现超润滑，一旦改变到大气环境便很难实现超润滑；二硫化钼薄膜在湿度较大时会发生氧化变质，薄膜的润滑性能下降甚至失效。虽然通过元素掺杂可改善薄膜的环境敏感性，但同时增加了制备成本、制备时间。此外，DLC膜与基底材料结合力差、膜厚小也限制了其在摩擦领域中的应用。
[0005]目前使用的大多数机器零部件通常服役在极其恶劣的环境中，例如低温、高温、高压、真空、水腐蚀等，使得其服役寿命及可靠性大大降低。渗硼处理是一种广泛应用于许多行业的热化学表面强化方法。这是一种表面处理工艺，可使金属材料表面产生硼化物层，该硼化物层具有较高的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，可有效提高机器零部件在严苛服役条件下的使用寿命。已有文献表明采用渗硼方法可降低材料在水润滑条件下的摩擦系数，这对实现超润滑具有巨大的应用前景。
[0006]目前使用最广泛的固体渗硼工艺，具有粉末混合物昂贵和渗硼时间长等主要缺点。
[0007]基于此，本专利技术采用了一种快速、低成本的实现超润滑的渗硼方法—电化学熔盐渗硼，提出了一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置及其方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，利用新型电化学熔盐渗硼装置对轴承钢等金属材料进行渗硼处理，在短时间内获得致密的功能化渗硼层，并在润滑剂的协同下实现稳定的超润滑状态，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0009]第一方面，本专利技术采用的技术方案是：一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，包括电炉和安装在电炉旁的升降架，所述电炉内腔放置有外石墨坩埚，在所述外石墨坩
埚内放置有内石墨坩埚，所述内石墨坩埚用于放置熔盐；所述升降架上滑动连接有横向连接梁，所述横向连接梁内侧端固定有夹持盘，所述夹持盘上安装有两个阳极石墨电极、一个试样挂载梁和一个氩气输送管，所述升降架靠近顶端处安装有电源，所述阳极石墨电极分别与电源的正极电性连接，所述试样挂载梁与电源的负极电性连接；所述夹持盘上还设置有排烟抽气管，所述电炉上还设置有测温热电偶。
[0010]进一步的，所述阳极石墨电极包括石墨电极板、外螺纹杆和内螺纹杆，所述外螺纹杆的一端螺纹连接有石墨电极板，所述外螺纹杆的另一端螺纹连接有内螺纹杆，所述内螺纹杆安装在夹持盘上。
[0011]进一步的，所述试样挂载梁由纵向挂载梁和横向挂载梁组成，所述纵向挂载梁顶端横向段设置有一个挂载点，所述横向挂载梁的两端设置有两个挂载点。
[0012]进一步的，所述内石墨坩埚上还设置有承载横梁，在所述内石墨坩埚上靠近顶端处还设置有阳极连接孔。
[0013]进一步的，所述升降架上设置有竖向的滑轨，在所述滑轨内设置有滑块，所述横向连接梁的外侧端固定在滑块侧端，所述升降架靠近顶端和底端处还分别设置有限位器。
[0014]第二方面，本专利技术采用的技术方案是：一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼方法，包括以下步骤：S1、选择待处理的金属试样，对金属试样进行表面预处理；S2、配制固体粉末熔盐样品，并将固体粉末熔盐样品加入到内石墨坩埚中，启动电炉加热至预设温度使熔盐熔化，搅拌熔盐，使熔盐混合均匀；S3、将S1中的金属试样置于试样挂载梁的挂载点处，并通过升降架调整夹持盘的高度使得金属试样浸入液体熔盐样品中；S4、通过氩气输送管向内石墨坩埚内输送氩气使得内石墨坩埚处于氩气气氛中，将电源与阳极石墨电极和试样挂载梁分别连接，开动电炉升温至设定的渗硼温度，并打开电源通入电流为金属试样的渗硼过程提供活化能，保温预设时间后得到粗电化学液体渗硼金属试样；S5、将S4中得到的金属试样于沸水中煮10
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120min，并配合磁力搅拌，制得渗硼金属试样样品。
[0015]进一步的，液体熔盐样品由70%
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85%wt的Na2B4O7渗硼原料、13%
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20%wt的Na2CO3助渗剂和2%
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10%wt氯化钠制得熔盐样品。
[0016]进一步的，在S2中电炉加热温度设置在830
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1000℃，在S4中设定的渗硼温度设置在830
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1000℃。
[0017]进一步的，在S4中，保温预设时间为1
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120min，且在保温结束后通过升降架调整夹持盘的高度将粗电化学液体渗硼金属试样从内石墨坩埚中取出。
[0018]进一步的，在S5中磁力搅拌速度为50
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600r/min。
[0019]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：本专利技术将金属试样浸入熔融状态的含硼熔盐中，通过电流的作用加快活性硼原子还原并堆叠在工件表面从而渗入工件内部，与此同时通过只改变工件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目的，对材料内部的组织和性能影响较小，具有渗
硼速率快，低成本等优点，经过渗硼处理后的样品在商用醇类润滑剂作用下可获得低于0.01的摩擦系数，具有优异的超润滑特性，电化学渗硼15min便可以获得30
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100μm厚的渗硼层，并且渗硼层致密度高，品质良好。此外，电化学液体法可以成批量处理样品，渗硼速率快，且根据经验公式可以预测所用参数下的渗硼层厚度，具有良好的工业应用价值。
附图说明
[0020]图1是本专利技术整体结构示意图；图2是本专利技术试样挂载梁结构示意图；图3是本专利技术阳极石墨电极结构示意图；图4是本专利技术内石墨坩埚结构设置有承载横梁的剖视图；图5是本专利技术内石墨坩埚结构设置有承载横梁的俯视图；图6是本专利技术实施例中硼化物在晶界和表面开始成核示意图；图7是本专利技术实施例中已经成核的硼化物沿择优取向上的生长使它们呈柱状形态示意图；图8是本专利技术实施例中新的硼化物粒子在晶界继续成核，后来成为生长中的硼化物柱的一部分，同时硼化物柱状晶开始横向长大示意图；图9是本专利技术实施例中硼化物柱状晶继续生长并连接在一起形成硼化物层示意图；图10是实施例2
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5中制得的渗硼样品与原始样品表面硬度对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，其特征在于：包括电炉（1）和安装在电炉（1）旁的升降架（2），所述电炉（1）内腔放置有外石墨坩埚（11），在所述外石墨坩埚（11）内放置有内石墨坩埚（12），所述内石墨坩埚（12）用于放置熔盐；所述升降架（2）上滑动连接有横向连接梁（21），所述横向连接梁（21）内侧端固定有夹持盘（22），所述夹持盘（22）上安装有两个阳极石墨电极（3）、一个试样挂载梁（4）和一个氩气输送管（5），所述升降架（2）靠近顶端处安装有电源（6），所述阳极石墨电极（3）分别与电源（6）的正极电性连接，所述试样挂载梁（4）与电源（6）的负极电性连接；所述夹持盘（22）上还设置有排烟抽气管（8），所述电炉（1）上还设置有测温热电偶（7）。2.根据权利要求1所述的一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，其特征在于，所述阳极石墨电极（3）包括石墨电极板（31）、外螺纹杆（32）和内螺纹杆（33），所述外螺纹杆（32）的一端螺纹连接有石墨电极板（31），所述外螺纹杆（32）的另一端螺纹连接有内螺纹杆（33），所述内螺纹杆（33）安装在夹持盘（22）上。3.根据权利要求1所述的一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，其特征在于，所述试样挂载梁（4）由纵向挂载梁（41）和横向挂载梁（42）组成，所述纵向挂载梁（41）顶端横向段设置有一个挂载点，所述横向挂载梁（42）的两端设置有两个挂载点。4.根据权利要求1所述的一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，其特征在于，所述内石墨坩埚（12）上还设置有承载横梁（13），在所述内石墨坩埚（12）上靠近顶端处还设置有阳极连接孔（14）。5.根据权利要求1所述的一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼装置，其特征在于，所述升降架（2）上设置有竖向的滑轨，在所述滑轨内设置有滑块，所述横向连接梁（21）的外侧端固定在滑块侧端，所述升降架（2）靠近顶端和底端处还分别设置有限位器（23）。6.一种面向超润滑背景的电化学熔盐渗硼方法，包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红星，冯宁波，尹绍冲，李鹏飞，董建新，史俊勤，花珂，王海丰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：