本發明旨在提出一種高效控制結構碳鋼表面形貌的新技術，屬于材料加工領域。改性后的合金表面粗糙度明顯增大，有利于廣泛應用于應用金屬材料前處理加工過程與后續的表面鍍層。

背景技術：

近幾年來，由于結構碳鋼具有許多獨特的性質，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用作汽車的零部件。為了更好的滿足現代汽車行業對金屬材料新的要求，如環保、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是表面工程領域中的重要組成部分，目前已擴展到表面工程以外的眾多領域，并成為一門相對獨立但又與許多專業密切相關的工藝技術，在各種工業生產過程中得到廣泛應用，在國民經濟及日常生活中有著重要作用和經濟價值。金屬制件在制造加工、裝配、維修以及存儲等過程中，表面清洗都是不可或缺的工藝環節，需要有效去除表面附著的防腐油、潤滑油、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約能源、環境保護等重大問題，還可以直接影響到產品的性能和質量，因此，越來越受到國內外學者的高度重視。液相等離子體清洗與表面改性技術可適用于大部分金屬及其合金的表面清洗，如去除潤滑劑、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，且可以有選擇地對材料的整體、局部或復雜結構進行部分清洗；并且在一定程度上可以對金屬材料或者合金表面起到一定的改性作用。在眾多的清洗技術中，液體等離子體以其環保、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點，有望廣泛應用于工業中金屬材料的前加工過程。

技術實現要素：

針對有機廢水處理，表面粗糙度明顯增大，有利于廣泛應用于金屬材料前處理加工過程與后續的表面鍍層。

本發明的原理是碳素結構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很重要的條件，而焦耳熱引起的溶液揮發和溶劑電解導致的流體動力不穩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，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。

本發明采用sem、xrd、力學性能測試等表征手段對材料進行表面形貌、晶體結構、主要組成成分和物相等測定與分析，研究處理前后材料表面形貌、組織和性能的變化。

本發明技術方案設計新穎合理，重復性好。適用本發明可以無選擇的對金屬材料進行表面清洗與改性，應用前景非常廣泛。

附圖說明

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

圖2是本發明液相等離子體處理前后q195結構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是本發明液相等離子體處理前后q195結構碳鋼的xrd圖譜(a)未處理的樣品(黑線)；處理25s的樣品(紫線).

圖4是本發明液相等離子體處理前后q195結構碳鋼(a)彈性模量直方圖；(b)硬度直方圖.

圖5是本發明液相等離子體處理前后q195結構碳鋼工程應力-應變曲線.

具體實施方案

下面結合實施例對本發明的技術方案進一步說明

實施例1

1、試樣制備過程

選取直徑為2mm左右的q195碳素結構鋼，用電火花切割出80mm的試樣。用酒精沖洗掉表面的金屬粉末，然后吹風機烘干。

2、試樣經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槽內，試樣穿過試驗臺的正中間，浸入電解液，電解液會從小孔流出，用進口kui13j小水泵將電解質泵回反應槽內。打開電源和測溫裝置。按預定程序逐步加載電壓和電流，直到產生電解等離子體放電。記錄液體環境的溫度、陰極周圍環境的溫度，陰極的表面溫度。

(2)影響等離子產生的四個最重要的因素：溫度、距離及表面積，穩定其中三個參數，改變最后一個。確定最優化的電流、電壓以及兩極之間的距離。用最優化的方案處理2mm左右的q195碳素結構鋼。

(3)試樣后期處理，將試樣浸沒到裝有酒精的燒杯中，進行超聲波清洗，然后用吹風機吹干，裝入試樣袋，并標號記下實驗條件。

3、試樣表征

(1)掃描電鏡分析

利用德國zeisssupra55-fesem型場發射掃描電鏡進行顯微組織分析。利用背散射模式對氧化前原始試樣進行組織觀察和成分分析，試樣需按照標準機械拋光方法制備。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。

進行截面觀察時，需將epp前后試樣鑲嵌，然后按照標準機械拋光方法制備出截面樣品。由于樣品截面較小，需要行進冷鑲制備樣品，在進行電鏡觀察前需進行噴碳處理，然后利用掃描電鏡背散射模式進行觀察。在電鏡觀察的同時，還進行eds點掃描和面掃描，對顯微組織進行成分分析。

(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)進行的。對于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epp前后物相組成，x射線源為cu靶(波長1.5406埃)、電壓45kv、電流200ma、掠入射角3°，采用2θ單獨連續掃描方式，掃描速度為6°(2θ)/min。

(3)納米顯微力學探針

epp前后金屬截面的成分分析還采用了nanoindenterii納米顯微力學探針進行。將液相等離子體處理前后的試樣冷鑲拋光，每個樣品從表層到核心取5個點，連續記錄載荷、位移數據，實驗載荷。研究液相 等離子體處理前后金屬微區力學性能。

(4)力學性能測試

對比分析epp前后金屬材料的力學性能，在英斯特朗instron5980系列雙立柱落地式拉力機上，進行液相等離子體處理前后拉伸試驗的對比。為真實反映epp前后試樣晶粒細化，去除拋光過程造成的假象，還對拉伸樣品的斷面形貌進行二次電子觀察。

技術特征：

技術總結
本發明提出了一種高效控制金屬材料表面形貌的新技術，屬于金屬材料表面改性領域。本發明采用自制反應裝置，以飽和的NaHCO3溶液為反應溶劑環境，在一定的輸入電壓與電流下探討形成穩定的液相等離子體的最優條件。然后，在穩定的液相等離子體環境下，對結構碳鋼進行等離子體處理一段時間來達到表面改性的目的。本發明采用液相等離子體處理不會改變金屬材料的斷裂機制，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構可以極大地增大材料的比表面積與粗糙度，有利于材料進行進一步加工與鍍層。

技術研發人員：林均品;桂萬元;郝國建;梁永鋒;楊栩
受保護的技術使用者：南通歐冶新材料有限公司
技術研發日：2016.03.07
技術公布日：2017.09.15