CN103628013B - 一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢件表面处理技术领域，特指一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法。本发明采用液态浸镀铝和随后的复合扩散处理获得Fe-Al金属间化合物和少量Al2O3复合涂层。其工艺流程包括前处理（碱洗、酸洗、助镀）、浸镀铝和扩散处理；浸镀铝在720-800℃铝液中浸镀1-10min；在保护气氛或真空中进行850-1100℃、1-5h和400-600℃空气中20-30min的复合扩散退火。通过调整扩散处理温度和时间，得到不同厚度的含金属间化合物和少量Al2O3复合耐磨涂层。本发明具有工艺简便、成本低、涂层结合力强、高温耐磨性优异等特点，可广泛用于高温耐磨钢件的表面强化。

Description

一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及钢件表面处理技术领域，特指一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法。
背景技术
Fe-Al金属间化合物具有高温抗氧化性好、耐蚀性强及比强度高等一系列优点，钢件的液态浸镀铝获得Fe-Al金属间化合物涂层广泛用于耐蚀和高温耐氧化的环境下，如以下专利：200410020758.8（一种在钢铁表面制备铁铝金属间化合物涂层及热处理方法）、200810138019.7（重型汽车排气管热浸渗铝的工艺方法）、200910017800.3（一种钢制散热器热浸渗铝工艺）等，但液态浸镀铝所获得的Fe-Al金属间化合物一直被认为耐磨性不足，因此未见用于磨损工况，特别是高温磨损工况下。
采用液态浸镀铝和随后的复合扩散处理获得Fe-Al金属间化合物和少量Al2O3复合涂层；该涂层不仅具有优异的高温抗氧化性、耐蚀性，还具有极高的高温耐磨性；在复合涂层中Al2O3控制为少量，保持涂层强韧性，不至于高的Al2O3量导致涂层脆化；少量Al2O3可以对高温下初期磨损起到一定的抗磨作用，随着磨损进行，少量的Al2O3会剥落，但少量的Al2O3又会不断地产生于Fe-Al金属间化合物与大气作用中，因此，复合涂层的高耐磨性决定于Fe-Al金属间化合物的高温强度和与大气中不断形成的少量Al2O3。
采用液态浸铝和复合扩散处理在钢表面获得耐高温磨损涂层是一种新方法，通过复合扩散处理工艺控制Fe-Al金属间化合物的物相和少量Al2O3的出现，使复合涂层达到耐蚀、耐氧化和耐磨性能有机结合在一起的优势，使液态浸镀铝工艺的应用领域更加扩展，具有节能、节材、工艺简便等优点，目前国内外尚未见利用液态浸镀铝和扩散处理获得耐高温磨损涂层的研究报道，具有创新性。
发明内容
本发明的目的是为了解决以往液态浸镀铝工艺获得的Fe-Al金属间化合物涂层仅具有耐蚀和耐高温氧化性而无高温耐磨性的问题，本发明中液态浸镀铝和复合扩散处理在钢表面获得耐高温磨损涂层，同时具有耐氧化和耐腐蚀性，该方法具有节能、节材、工艺简便等优点，可广泛用于高温耐磨件的表面强化。
液态浸镀铝和扩散处理后获得的Fe-Al金属间化合物包含Fe2Al5、FeAl、Fe3Al；其中Fe2Al5为脆性相，而FeAl和Fe3Al为韧性相，通过扩散处理控制涂层中主要物相为FeAl和Fe3Al，同时表面产生少量的陶瓷相Al2O3，少量陶瓷相保证与金属间化合物的紧密结合，在高温磨损工况下，少量陶瓷相对初期磨损起到保护作用；而随后磨损过程中FeAl和Fe3Al会在高温、高压下不断的产生少量陶瓷相Al2O3，继续起到耐磨保护作用，可使磨损量趋近于零；可见，采用本专利方法获得的涂层不仅具有好的耐蚀性和耐高温氧化性，还具有优异的高温耐磨性。
本发明工艺流程包括对钢件的前处理、浸镀铝和扩散处理；浸镀铝在720-800℃铝液中浸镀1-10min；在保护气氛或真空中进行850-1100℃、1-5h和在空气中进行400-600℃、20-30min的复合扩散退火，通过调整扩散处理温度和时间，得到厚度为100-500μm的以含FeAl和Fe3Al(90-95wt%)为主的金属间化合物和少量Al2O3(5-10wt%)复合耐磨涂层。
所述的对钢件的前处理指依次对钢件进行碱洗、酸洗和助镀。
所述的碱洗指：在50℃-70℃，10wt%-20wt%的NaOH水溶液中处理8-10min。
所述的酸洗指：在40℃-50℃，5wt%-8wt%的HCl水溶液中处理10min。
所述的助镀指：在80℃，6wt%NaCl+4wt%KF水溶液中、5wt%KCl+4wt%NaCl+1wt%Na3AlF6水溶液中或4wt%KCl+3wt%NaCl+1wt%NaF水溶液中，处理10min。
所述的保护气氛指氩气。
所述的真空指≤10Pa。
采用液态浸镀铝工艺和复合扩散工艺制备金属间化合物和少量Al2O3复合涂层，是利用韧性金属间化合物的优异的高温强度和产生于扩散工艺和磨损过程中少量Al2O3的高的耐磨保护性，而达到磨损率趋近于零的高温耐磨性，同时，它还具有普通液态浸镀铝涂层的高温抗氧化性和耐蚀性，所采用的工艺具有节能、节材、工艺简便、生产效率高、所生产构件的形状、大小不受限制等优点，此外，该工艺涂层结合力强、质量稳定性高，易于工业化生产。
附图说明
图1为液态浸镀铝和复合扩散处理后涂层的XRD图谱；可见，主要物相为FeAl和Fe3Al及少量的Al2O3。
图2为钢经液态浸镀铝后分别在（a）850℃和（b）1000℃真空中扩散处理及随后在空气中400-600℃复合扩散处理后获得耐高温磨损涂层的形貌及成分分布，可见，形貌及成分分布与物相分析是一致的，主要以FeAl和Fe3Al为主的金属间化合物相和少量的Al2O3。
图3为本发明工艺所获涂层在25℃、200℃、400℃下的磨损失重与采用600℃真空扩散处理涂层工艺的磨损失重的对比；可见，本发明工艺所获涂层在200和400℃下的磨损失重极低，为超微磨损，对比600℃扩散处理工艺的涂层的磨损失重非常大。
具体实施方式
实施例1
45钢钢件表面进行前处理：表面打磨光亮后，经10wt%NaOH水溶液60℃去油10min，然后水洗；再经5wt%HCl水溶液40℃除锈10min，然后水洗风干；将钢件浸入温度为80℃的6wt%NaCl+4wt%KF（质量百分浓度）水溶液中助镀10min，然后烘干；将前处理后的钢件置于720℃铝液中浸镀10min，取出后空冷至室温；先在真空850℃条件下保温5h；再在400℃空气环境中保温30min；得到厚度为126μm、含94wt%FeAl和Fe3Al金属间化合物和6wt%Al2O3复合耐磨涂层。
实施例2
20CrMnTi钢钢件表面进行前处理：表面打磨光亮后，经20wt%NaOH水溶液50℃去油10min，然后水洗；再经8wt%HCl水溶液50℃除锈10min，然后水洗风干；将钢件浸入温度80℃的5wt%KCl+4wt%NaCl+1wt%Na3AlF6水溶液中助镀10min，然后烘干；浸入到750℃的熔融铝液中浸镀5min，取出后空冷至室温；在氩气保护下，1100℃扩散处理2h；然后再在空气500℃环境中加热25min，得到厚度为360μm、含92wt%FeAl和Fe3Al金属间化合物和8wt%Al2O3复合涂层。
实施例3
H13钢钢件表面进行前处理：表面打磨光亮后，经15wt%NaOH水溶液70℃去油8min，水洗；5wt%HCl水溶液50℃除锈10min，然后水洗风干；将钢件浸入温度80℃的4wt%KCl+3wt%NaCl+1wt%NaF水溶液中助镀10min，然后烘干；浸入到800℃的熔融铝液中浸镀1min，取出后空冷至室温；在氩气保护下1000℃扩散处理1h；然后再在空气600℃环境中加热20min，得到厚度为210μm、含90wt%FeAl和Fe3Al的金属间化合物和10wt%Al2O3复合涂层。

Claims (9)

1.一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，包括对钢件的前处理、浸镀铝和扩散处理；其特征在于：所述扩散处理指：在保护气氛或真空中进行850-1100℃、1-5h和在空气中进行400-600℃、20-30min的复合扩散退火，通过调整扩散处理温度和时间，得到厚度为100-500μm的以含FeAl和Fe3Al为主的金属间化合物和少量Al2O3复合耐磨涂层。
2.如权利要求1所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的对钢件的前处理指依次对钢件进行碱洗、酸洗和助镀。
3.如权利要求2所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的碱洗指：在50℃-70℃，10wt%-20wt%的NaOH水溶液中处理8-10min。
4.如权利要求2所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的酸洗指：在40℃-50℃，5wt%-8wt%的HCl水溶液中处理10min。
5.如权利要求2所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的助镀指：在80℃，6wt%NaCl+4wt%KF的水溶液中、5wt%KCl+4wt%NaCl+1wt%Na3AlF6的水溶液中或4wt%KCl+3wt%NaCl+1wt%NaF的水溶液中，处理10min。
6.如权利要求1所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的浸镀铝指在720-800℃铝液中浸镀1-10min。
7.如权利要求1所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的保护气氛指氩气。
8.如权利要求1所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的真空指≤10Pa。
9.如权利要求1所述的一种钢件表面高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述的耐磨涂层中含FeAl和Fe3Al90-95wt%，含Al2O35-10wt%。
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