CN103266298A - 不锈钢低温粉末包埋铁铝共渗渗剂及包埋渗工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种不锈钢低温粉末包埋铁铝共渗渗剂以及包埋渗工艺方法，其主要以铝粉为主要供铝剂，铁粉为主要供铁剂，铁铝粉为活性填料取代传统的无活性陶瓷粉末填料，三氯化铝为活化剂，也可添加少量的氯化稀土作为催化剂，工艺步骤如下：将渗剂充分混合均匀后与需要进行铁铝共渗处理的不锈钢试样共置于渗罐中，并用水玻璃参合耐火泥密封烘干，渗铝温度为380℃～600℃，保温时间10小时或10小时以上，即可得到一定厚度的铁铝化合物合金层。它具有工艺方法简单，低温铁铝共渗，所要求的设备简单，成本低廉，获得的铁铝化合物合金层表面的含铝量高，与基体具有很强结合力，抗中温氧化性能和耐腐蚀性能好，对基体有很好的保护作用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢低温粉末包埋铁铝共渗渗剂及包埋渗工艺方法。
背景技术
不锈钢叶片作为航空发动机应用数量最多的压气机钢制涡轮转子叶片，其工作状况是在高温燃气包围下工作的，不仅承受涡轮转子高速旋转时叶片自身离心力、气动力、热应力及振动应力等的作用，还要承受高温燃气的冲刷、氧化和腐蚀作用，是发动机内部工作条件最为恶劣的零件，而高温燃气的冲刷、氧化和腐蚀是造成叶片破坏的主要原因。为了有效降低上述原因对不锈钢叶片的破坏，有目的的渗入金属铝元素，在不锈钢叶片表面上形成含铝量高的铁铝化合物合金层，以提高不锈钢叶片的耐腐蚀、抗高温氧化及耐磨等性能，延长其使用寿命。
粉末包埋渗铝是目前工业应用很广泛的一种工艺，具有设备简单、成本低廉等优点，且对于零件形状复杂或者在其回火温度以下渗铝以保证零件使用的机械性能，都只能采用粉末包埋的渗铝方法。粉末渗铝由于是将工件埋在粉末当中，且在一定的温度下配合一定的渗剂配方就能很好的克服其它渗铝方法所无法达到的渗铝效果（渗层致密、不易产生漏渗等缺陷、渗层厚度均匀以及适用于几何形状复杂的零件等）。
中、高温(650℃~1100℃)粉末包埋渗铝技术已在小型零部件、原油炼化部件、航空涡轮叶片等部件防腐方面获得了极大的成功，耐H2S、CO2、大气及海水等介质的腐蚀性能可与316不锈钢相媲美，且工艺稳定。专利文献“一种粉末包埋渗铝剂及包埋渗铝方法(CN1425796A)”公开了一种适用于中、高温的粉末包埋渗铝剂，其组成为：铝粉、铁粉、氯化铵及氧化铝陶瓷粉末，其粉末粒度为80~220目。利用此配方，只有在高温(900℃~1100℃)条件下保温一段时间，才能在需渗铝工件表面形成渗铝层。在低温条件下，无法在需渗铝工件表面形成渗铝层。
专利文献“一种石油专用油、套管低温粉末包埋渗铝渗剂(CN101165204A)”公开了一种适用于低温(380℃~500℃)条件下的粉末包埋渗铝剂，其组成为：金属源、活化剂、催化剂和填充剂。金属源由铝粉、锌粉、锌铝合金粉、铁铝合金粉之一种或几种组成，其粉末粒度为120目或150目；活化剂由氯化铵、氯化铝、氟化钠或氟化氢钾之一种或几种组成；催化剂由稀土元素镧、锇和钼粉组成；填充剂由氧化铝陶瓷粉末组成。利用此配方，在低温(380℃~500℃)条件下保温一段时间，即可在需渗铝工件表面形成渗铝层，但所获得的渗铝层中含有锌元素，渗铝层呈现阶梯变化，渗铝层含铝量偏低，且最外层铝含量最低。
由于不锈钢叶片本身的组织结构、热处理条件以及所使用的环境温度等各方面的条件限制下，要求必须在低温(低于不锈钢回火温度)下进行渗铝，如果温度过高，将改变工件本身的显微组织，而在很大程度上降低了不锈钢叶片使用中的机械性能。因此，温度将成为专利文献“一种粉末包埋渗铝剂及包埋渗铝方法(CN1425796A)”中公开的渗剂及方法对不锈钢叶片应用的最大障碍。专利文献“一种石油专用油、套管低温粉末包埋渗铝渗剂(CN101165204A)”虽能在低温条件下在需渗铝工件表面形成渗铝层，但所获得的渗铝层中含有锌元素，渗铝层呈现阶梯变化，渗铝层含铝量偏低，且最外层铝含量最低。
因此，对于不锈钢叶片，为了在低温(低于不锈钢的回火温度)条件下获得与基体结合良好，具有单层结构，含铝量高的铁铝化合物合金层，从而提高不锈钢叶片的耐腐蚀、抗高温氧化及耐磨等性能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种不锈钢低温粉末包埋铁铝共渗渗剂及包埋渗工艺方法，它具有工艺简单和操作方便的优点。
本发明是这样来实现的，本发明的目的是提供一种新型不锈钢低温（低于不锈钢回火温度）粉末包埋铁铝共渗渗剂以及采用该种铁铝共渗渗剂的包埋渗铝方法，以在不锈钢表面获得与基体结合良好、具有单层结构且含铝量高的铁铝化合物合金层，保证不锈钢叶片的耐腐蚀、抗高温氧化及耐磨等性能和防热削落现象的产生。由于不锈钢种类的不同，使得不锈钢的回火温度不同，但其回火温度大部分在500℃~600℃。因此，本发明的渗剂的低温铁铝共渗温度为380℃～600℃，其可根据不锈钢的回火温度进行选择。
本发明的低温粉末包埋渗铝剂为一种组合物，其组分和重量百分比含量包括：
铝粉(Al) 10%~30%
铁粉(Fe) 3%~10%
三氯化铝(AlCl3) 5%~30%
三氯化铈(CeCl3) 0%~3%
稀土镧粉(La) 0%~3%
铁铝粉(Fe-Al) 余量
其中的铝粉为200~250目粉末状颗粒，铁粉为200~250目粉末状颗粒，铁铝合金粉为100~200目的粉末状颗粒，三氯化铝和三氯化铈为化学分析纯粉末，镧粉为100~200目的粉末状颗粒；上述粉末的粒度均低于现有的渗剂配方，能够获得更高的比表面积，在铁铝共渗过程中产生更多的活性原子。
在低温铁铝共渗过程中，当初始铁铝化合物合金层形成后，Al原子通过初始合金层向基体发生扩散，而基体主要为α-Fe晶粒，铝原子向基体的扩散为晶格扩散，其扩散速率很低，使合金层无法向基体内部生长；同时，基体Fe原子通过初始合金层向外扩散，在初始合金层表面与活性Al原子吸附层发生反应，使合金层向外生长；但在无外力做功的情况下，基体Fe原子通过初始合金层向外扩散的速率同样很低。因此，在本发明的渗剂配方中，铝粉为活性铝原子源，铁粉为活性铁原子源，铁铝合金粉作为活性填充剂，取代传统的无活性陶瓷粉末填充剂，活性填充剂不仅可改善活性铝原子与基体工件表面的润湿性和抑制界面粘着、结块、结渣等不良现象，还能提供活性铝原子和活性铁原子。在低温铁铝共渗过程中，渗剂中产生的活性铝原子及活性铁原子通过气相扩散至基体表面或初始合金层表面，发生反应，促进铁铝合金层的向外生长。此外，本发明的渗剂配方中的稀土元素扩散至基体和初始合金层中，将促进铁铝原子的扩散，增加铁铝化合物合金层的生长速度。
采用上述的渗剂可方便地在不锈钢表面形成与基体结合良好、具有单层结构且含铝量高的铁铝化合物合金层，本发明采用的工艺包括如下步骤：
首先将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用。
再将所述及的渗剂配方按照一定的比例配制，充分混合均匀后于需要进行铁铝共渗处理的不锈钢试件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，带干燥后方可加热进行共渗处理。渗灌的入炉方式为冷装炉，渗铝温度为380℃～600℃，冷却方式为出炉快冷。当保温温度为500℃，保温时间达到10小时，即可在不锈钢表面得到10μm的铁铝化合物合金层。
对于按照该渗剂配方所得到的不锈钢表面铁铝化合物合金层，采用X-射线远射仪、环境电子扫描电子显微镜和能谱分析仪对铁铝化合物合金层进行测试，结果表明，经上述处理后的不锈钢表面铁铝化合物合金层组成物相主要为FeAl3相、Fe2Al5相及少量的其它物相组成，铝含量约为50%～60%wt。
本发明的技术效果是：本发明提供的低温粉末铁铝共渗渗剂，通过以铁铝合金粉作为活性填充剂，取代传统的无活性填充剂，以铝粉为供铝剂，铁粉为供铁剂，三氯化铝为活化剂，配以本发明的低温渗透工艺，即可在低温条件下获得与基体结合良好、具有单层结构且含铝量高的铁铝化合物合金层。本发明所得到的铁铝化合物合金层与基体具有很强结合力，同时具有很好的抗中温氧化性能和耐腐蚀性能，对基体有很好的保护效果，有利于一些零件在特定在环境下使用。
附图说明
图1：渗剂配方为实施例4得到的不锈钢表面铁铝化合物合金层截面线扫描图。
图2：渗剂配方实施例4得到的不锈钢表面铁铝化合物合金层点扫描位置图。
具体实施方式
实施例1
渗铝剂组成（重量）：
30%铝粉（Al，200目），3%铁粉（Fe，200目），36%铁铝粉（Fe-Al，150目），30%三氯化铝（AlCl3），1%镧粉（La）；
处理工艺：
（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷；在500℃下保温28小时，得到25μm铁铝化合物合金层；
处理结果：经上述处理后的不锈钢表面铁铝化合物合金层主要成分为FeAl3相和Fe13Al4，其中铝含量为51.89%wt。
实施例2
渗铝剂组成（重量）：
30%铝粉（Al，200目），5%铁粉（Fe，200目），60%铁铝粉（Fe-Al，150目），5%三氯化铝（AlCl3）。
处理工艺：（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷；在500℃下保温24小时，得到27μm铁铝化合物合金层；
处理结果：经上述处理后的不锈钢表面铁铝化合物合金层主要成分为FeAl3相和少量FeAl相，其中铝含量为52.58%wt。
实施例3
渗铝剂组成（重量）：
30%铝粉（Al，200目），7%铁粉（Fe，200目），41%铁铝粉（Fe-Al，150目），20%三氯化铝（AlCl3），1%三氯化铈（CeCl3），1%镧粉（La）。
处理工艺：
（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷；在500℃下保温48小时，得到32μm铁铝化合物合金层；
处理结果：经上述处理后的不锈钢渗铝层表面主要成分为FeAl3相和少量Fe2Al5相，其中铝含量为53.48%wt。
实施例4
渗铝剂组成（重量）：
30%铝粉（Al，250目），5%铁粉（Fe，250目），59%铁铝粉（Fe-Al，100目），5%三氯化铝（AlCl3），1%三氯化铈（CeCl3）；
处理工艺：
（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷；在500℃下保温24小时，得到26.5μm铁铝化合物合金层，如图1和图2所示；
处理结果：经上述处理后的不锈钢渗铝层表面主要成分为FeAl3相和少量Fe2Al5相，其中铝含量为54.18wt。其中表1为图2铁铝化合物合金层截面扫描点所对应的元素成分表；
实施例5
渗铝剂组成（重量）：
10%铝粉（Al，230目），10%铁粉（Fe，220目），49%铁铝粉（Fe-Al，200目），25%三氯化铝（AlCl3），3%三氯化铈（CeCl3），3%镧粉（La）。
处理工艺：
（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷；在360℃下保温50小时，得到9μm铁铝化合物合金层；
处理结果：经上述处理后的不锈钢渗铝层表面主要成分为FeAl3相和少量Fe2Al5相，其中铝含量为50.69%wt。
实施例6
渗铝剂组成（重量）：
25%铝粉（Al，200目），10%铁粉（Fe，200目），46%铁铝粉（Fe-Al，150目），15%三氯化铝（AlCl3），2%三氯化铈（CeCl3），2%镧粉（La）。
处理工艺：
（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷；在600℃下保温10小时，得到17μm铁铝化合物合金层；
处理结果：经上述处理后的不锈钢渗铝层表面主要成分为FeAl3相和少量Fe2Al5相，其中铝含量为55.45%wt。
Claims (2)
1.一种不锈钢低温粉末包埋铁铝共渗渗剂，其特征在于所述渗剂采用铁铝粉为活性填料取代传统的无活性陶瓷粉末填料，铝粉为供铝剂，铁粉为供铁剂，无水三氯化铝为活化剂，无水三氯化铈及稀土镧粉为催化剂；其所含的组分和重量百分比含量包括：
铝粉 10%~30%
铁粉 3%~10%
三氯化铝 5%~30%
三氯化铈 0%~3%
稀土镧粉 0%~3%
铁铝粉 余量
其中，铝粉为200~250目的粉末状颗粒，铁粉为200~250目粉末状颗粒，铁铝粉为100~200目的粉末状颗粒，三氯化铝、三氯化铈为无水分析纯级粉末，镧粉为100~200目的粉末状颗粒。
2.如权利要求1所述的一种不锈钢低温粉末包埋铁铝共渗渗剂的包埋渗工艺方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
（1）将需要进行铁铝共渗处理的工件进行表面除锈除油处理，吹干备用；
（2）将上述渗剂组分在混合均匀后置于真空环境中低于三氯化铝分解温度下烘干处理；将烘干处理后的渗剂与需要进行铁铝共渗处理且已进行过前期处理的不锈钢工件共置于渗罐中，用水玻璃混合耐火泥进行密封处理，待干燥凝固后，在380℃～600℃的温度下进行铁铝共渗处理，铁铝共渗的入炉方式为冷装炉，冷却方式为出炉快冷，保温10小时或10小时以上，即可获得一定厚度的铁铝化合物合金层。
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