CN101074476A - 钢铁材料表面制备Fe－Al金属间化合物层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢铁材料表面制备Fe－Al金属间化合物层的方法，属于金属材料表面冶金技术领域。该方法特征在于：利用双层辉光技术，其中利用Al－石墨或Al－Al2O3作为源极，工作气压为10－100Pa，源极电压为800－1200V，阴极电压为100－600V，极间距为10－30mm，处理温度为900－1100℃，处理时间为0.5－3小时；并且在处理前，预先将该源极材料制备成平板状、格栅状或并列排状，或根据工件形状而仿形制备。利用该方法可以在钢铁材料表面形成表面FeAl、Fe3Al金属间化合物层，具有优越的耐蚀性能。
Description
技术领域
一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，属于金属材料表面冶金技术领域。
技术背景
Fe-Al基金属间化合物具有比重小、弹性模量高、抗氧化、抗硫化、耐热腐蚀等一系列优异的性能特点。同各种不锈钢、钴基和镍基高温合金相比，Fe-Al在高温腐蚀环境中，特别是在冲蚀条件下使用具有独到的优势。用作高温结构材料，室温脆性(延伸率＜5％)和温度超过500℃后材料强度急剧下降，是限制其工业应用的两大主要障碍。为解决这一问题，多年来材料工作者进行了大量的研究和探索。在对Fe3Al的力学行为、腐蚀行为及其组织结构和相关的相变过程的研究上取得了许多研究成果，对这种材料的环境脆性问题的研究也取得了一定的进展，通过调整合金的成分和组织结构能够有效地提高其强度和塑性。但是由于成本和加工工艺性等一系列问题，Fe-Al作为结构材料未能得到广泛应用。
若将Fe-Al用作高温结构材料的表面防护涂层，即将材料的高温耐蚀性和高温强度分开来考虑，高温强度由基体材料来承担，高温下的腐蚀与磨损由Fe-Al金属间化合物涂层来防护，这无疑可以大大拓宽Fe-Al材料的应用范围。
传统Fe-Al材料一般采用整体熔炼或粉末冶金等方法来制作，由于铁铝材料的本质脆性，整体Fe-Al合金尽管具有优良的耐磨耐蚀性能，但不易成形，严重制约了其实际应用。如果能利用普通钢铁材料作为基体，在成形后的零件上制备表面冶金Fe-Al合金层，既利用了其优良的耐磨耐蚀性能，又避免了成形困难的缺点，且大幅度降低了成本，拓宽了Fe-Al合金的应用范围。
双层辉光技术曾用来在普通钢铁材料表面制备镍铬耐蚀合金、高速钢；在钛合金表面制备耐磨、耐蚀、阻燃合金层等，均取得成功。但要形成Fe-Al合金，按照传统工艺却不能成功。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，形成表面FeAl、Fe3Al金属间化合物层，以在普通钢铁材料表面生成耐蚀性能优越的合金层。
一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，其特征在于：在真空辉光放电装置中同时设置两个阴极，一个称为源极，另一个被处理的钢铁材料工件称为阴极，炉体为共用阳极，工作气压为10-100Pa，源极电压为100-1200V，阴极电压为100-600V，极间距为10-30mm，处理温度为900-1100℃，处理时间为0.5-3小时；其中源极由Al-石墨或Al-Al2O3经粉末冶金工艺制成，其中Al-石墨中Al的含量为30-60％，Al-Al2O3中Al的含量为30-60％，在处理前，预先将该源极材料制备成平板状或格栅状或并列排状或根据工件形状而仿形制备。
双层辉光等离子表面合金化工艺过程中源极温度达到800℃以上，超过纯Al的熔点，所以采用传统工艺，利用纯金属作为源极，不能成功。如果降低源极电流密度从而降低源极温度，则不能提供足够的溅射量。本发明设计并采用粉末冶金制备Al-石墨或Al-Al2O3两种Al源极，其中Al的含量为30-60％，其熔点在800℃以上，可以保证源极不熔化且能提供足够的Al供给量。
传统工艺中，利用平板状源极结构，由于供给量不足，制备效果不好。所以根据需要Al-石墨、Al-Al2O3源极可采用平板，最好采用格栅状或并列排状结构，以增大溅射量，也可以根据工件形状而仿形设计，满足形状较复杂的零件表面合金层均匀性要求。
根据合金层成分及厚度要求，通过合理布置源极、阴极位置，并在10～30mm之间调整阴极、源极间距，以产生空心阴极效应，增加合金元素供给量，提高合金元素渗入速度。
本发明通过源极材料、源极结构设计、制备，既满足源极温度要求，又满足表面合金化对Al原子供给量的要求；通过设计源极与阴极排列方式和合理的极间距，既增强了源极溅射，又增强了对工件的离子轰击作用，有利于合金元素的扩散渗入。由源极溅射出的金属Al离子流轰击金属板带或其零件表面，加热工件，在工件表面沉积并渗入其内部，形成具有优良耐磨、耐蚀性能的FeAl、Fe3Al合金层。由该技术获得的表面合金层成分呈梯度分布，与基体之间没有明显的界线，因而具有充分可靠的结合强度。又由于FeAl、Fe3Al等脆性相由表及里呈梯度分布，渗层中显微硬度等力学参量也呈梯度分布，因而，合金层同时具有良好的韧性。由于在普通钢铁材料表面制备的Fe-Al合金层其耐蚀性能由于奥氏体不锈钢，可大量代替不锈钢而形成一种新的低成本冶金产品。
附图说明：
图1是45钢板表面制备的Fe-Al金属间化合物中Al元素的分布。
图2是A3钢板表面制备的Fe-Al金属间化合物中Al元素的分布。
具体实施方式：
采用本发明在金属板材或零件表面制备Fe-Al合金层的操作过程如下：
1.将金属板材进行酸洗并活化处理后装炉，源极与工件间距为10～30mm。
2.抽真空至1Pa以下，再反充少量Ar使真空度降至10Pa左右，施加阴极偏压100～300V，10～30分钟，以离子轰击进一步净化钢板表面。
3.加大Ar流量，使工作气压升至30～50Pa，增大阴极偏压到300～400V，增大阴极电流密度，使工件温度升高以进行预热。
4.接通源极电源，调节源极电压为800～1200，阴极电压到400～600V，增大阴极电流密度使工件温度上升到900-1100℃(根据工艺要求设定)，在金属板材与源极之间产生空心阴极效应，源极溅射加强，有利于获得更高的合金元素在工件表面的沉积速度，从而提高合金层形成效率。
5.维持各工艺参数并保温0.5-3小时(根据合金层成分、厚度等要求确定)。
6.保温结束后，降低源极电压到200-400V，阴极电压到100-200V，降低气压到20Pa，轻微辉光保护降温。
7.当金属零件温度降至200℃以下后，关闭源极电源、阴极电源，关闭真空系统并将工件取出。
实施例1：45钢板表面制备FeAl金属间化合物材料，采用粉末冶金制备的Al-Al2O3格栅状源极，其中含铝60％，阴极电压450V，源极电压980V，极间距15mm，在1000℃下处理2小时，FeAl合金层的厚度可以达到30μm，与基体冶金结合。辉光放电光谱(GDS)分析表明Al元素浓度呈梯度分布，见图1。与1Cr18Ni9Ti不锈钢在同等条件下进行耐腐蚀性能测试，结果见表1，证明其耐蚀性能超过1Cr18Ni9Ti不锈钢。
表1 实施例1腐蚀实验结果
| 材料 | 试样 | 单位面积增重(g/m2) | 单位面积增重(g/m2)均值 |
| 本发明材料 | 1 | 0.76 | 0.744 |
| 2 | 0.82 | ||
| 3 | 0.78 | ||
| 4 | 0.64 | ||
| 5 | 0.72 | ||
| 1Cr18Ni9Ti | 1 | 3.12 | 3.0 |
| 2 | 2.98 | ||
| 3 | 2.83 |
实施例2：A3钢板表面制备Fe3Al金属间化合物材料，采用粉末冶金制备的Al-石墨平板源极，其中含铝30％，阴极电压430V，源极电压980V，极间距28mm，在1000℃下处理3小时，Fe3Al合金层的厚度可以达到20μm。辉光放电光谱(GDS)分析表明Al元素浓度呈梯度分布，见图2。与2Cr13不锈钢在同等条件下进行耐腐蚀性能测试，结果见表2，证明其耐蚀性能超过2Cr13不锈钢。
表2 实施例2腐蚀实验结果
| 材料 | 试样 | 单位面积增重(g/m2) | 单位面积增重(g/m2)均值 |
| 本发明材料 | 1 | 1.52 | 1.384 |
| 2 | 1.36 | ||
| 3 | 1.48 | ||
| 4 | 1.14 | ||
| 5 | 1.42 | ||
| 2Cr13 | 1 | 4.04 | 4.03 |
| 2 | 3.88 | ||
| 3 | 4.17 |
Claims (1)
1、一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，其特征在于：在真空辉光放电装置中同时设置两个阴极，一个称为源极，另一个被处理的钢铁材料工件称为阴极，炉体为共用阳极，工作气压为10-100Pa，源极电压为800-1200V，阴极电压为100-600V，极间距为10-30mm，处理温度为900-1100℃，处理时间为0.5-3小时；其中源极由Al-石墨或Al-Al2O3经粉末冶金工艺制成，其中Al-石墨中Al的含量为30-60％，Al-Al2O3中Al的含量为30-60％，在处理前，预先将该源极材料制备成平板状或格栅状或并列排状或根据工件形状而仿形制备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |