CN104264109A - 一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法，渗剂包括以下重量百分比的组分粉末：铬：12～25％；硅铁合金：5％～20％；钛：1％～5％；活化剂：0.5％～3.5％；碱土金属氧化物：5％～10％；氧化铝：余量；制备方法：首先按比例称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱中；将除油除锈后的待渗工件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100℃～120℃烘干1～2小时；渗箱置入马弗炉中加热到800℃～1250℃保温5～10小时，在合金表面获得致密无孔隙的铬硅涂层。该发明获得的涂层结构均匀致密、无孔隙，具有优异的耐高温、抗氧化、抗渗碳及抑制铁镍元素催化效应等性能。

Description

一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法
【技术领域】
本发明涉及合金表面涂层制备技术，更具体的说，是一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法。
【背景技术】
众所周知，在一般使用条件下，钢铁材料的失效多源于表面。表面涂层强化技术可以使材料表面的成分、组织、结构发生变化，提高表面性能，不但可以延长材料使用寿命，也可以避免采用高成本的材料。金属表面渗铬(Cr)、渗硅(Si)可以明显提高金属材料的耐蚀性、抗高温氧化、抗渗碳性能，并具有抑制铁镍元素催化效应等作用，目前已得到一定的应用。对于低碳钢，渗铬较容易实现，但对于中高碳钢及高合金钢，随着Cr向炉管合金内部的扩散渗入，在其内部必然形成一定量的碳化物，这将降低Cr扩散速度和数量，影响涂层的质量。并且研究发现，元素Cr在奥氏体组织中的扩散速度明显低于在铁素体中的扩散速度。而工程上常用的HP40、HK40、316等材料在常温及高温下均为奥氏体组织，这类材料的渗铬更为困难。为加快Cr的扩散速度，目前在工艺上采取Cr、Si共渗技术，在渗Cr过程中加入Si元素，Si可降低合金表面局部的C含量，伴随着组织由奥氏体转变为铁素体，有利于Cr的扩散渗入。
但是，在元素扩散过程中，由于Cr、Si、Fe扩散速度不相同，Si的扩散系数比Fe大，存在原子扩散的柯肯达尔效应。在Cr、Si扩散的同时伴随着空洞的出现，导致涂层内有大量孔隙，涂层不致密，脆性增大，甚至还会引起涂层脱落，严重影响使用性能。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法，获得结合力好，均匀致密、无孔隙的铬硅涂层，涂层制备工艺简单、操作方便、易于实现，适于生产和工业应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种合金表面铬硅共渗渗剂，其包括以下重量百分比的组分粉末：
铬：12～25％；
硅铁合金：5％～20％；
钛：1～5％；
碱土金属氧化物：5～10％；
活化剂：0.5～3.5％；
氧化铝：余量。
所述的碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁中的一种或者两种混合物。
所述的活化剂为氯化铵、氟化钠中的一种或两种混合物。
所述的组分粉末粒度为150～400目。
组分钛、氧化镁和氧化钙作为硅元素扩散速度调节剂，避免元素扩散过程产生孔隙。
一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其具体步骤为：
步骤(1)：按重量百分比称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱；
步骤(2)：将除油除锈后的待渗零件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100℃～120℃烘干1～2小时；
步骤(3)：将烘干后的渗箱置于高温马弗炉中，在850℃～1250℃的温度下进行包埋共渗处理，随炉冷却后取出。
在所述步骤(1)中氧化铝粉末在使用前经1000℃～1200℃温度煅烧处理2～3小时。
在所述步骤(2)中渗箱有多个试样时，相邻平行试样之间的距离不小于15mm，工件距离渗剂顶部或底部不小于20mm。
在所述步骤(3)中，采用两步法加热工艺，首先加热至800℃～950℃保温2～5小时，然后加热至1000℃～1250℃保温3～6小时，升温速度为5℃～10℃/min。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明的渗剂配方创新在于采用钛及碱土金属氧化物氧化镁和/或氧化钙。当共渗反应进行时，Si在Fe中以置换形式形成置换固溶体，活性硅原子向工件内部扩散是以空位机理进行的。Si向内部扩散的同时，还进行着铁原子由内部向外的扩散，因而在工件表层存在着硅-铁的互扩散偶。特别是在扩散前沿，硅的浓度梯度最大。因此，在常规渗铬硅工艺中，硅-铁互扩散区域要发生严重的柯肯达尔效应，导致扩散层中出现微孔。随着渗硅层中出现γ→α相变，产生相变应力，扩散层前沿形成的微小孔更易于聚集长大，出现明显的孔洞。
本发明渗剂体系中，钛(Ti)元素的存在，一定程度上降低了Si的扩散速度，使得Fe、Si扩散速度相匹配。同时，在渗剂中添加的氧化镁和氧化钙与Si相互作用，形成钙和镁的硅化物，可使合金表面上的活性硅原子浓度降低，创造渗硅最佳条件。Si的吸附速度低于它向工件表面深处的扩散速度，在局部表层，Si和Fe的互扩散量相近，有效的避免由柯肯达尔效应产生的孔隙，获得致密的涂层组织。
本发明的涂层制备工艺创新在于采用两步法进行铬硅共渗。第一步温度加热至800℃～950℃，气相中含硅化合物的蒸汽压较高，由于Si和C热力学上强烈的排斥性，Si的渗入将C推向合金表面深处，在工件表面形成C溶解度较低的铁素体层，有利于Cr扩散渗入工件。在随后第二步温度继续升高至1000℃～1250℃，反应气相中含铬化合物的蒸汽压相对升高，反应以Cr元素沉积扩散为主，获得富Cr元素涂层。
本发明能够获得均匀致密、无孔隙的铬硅涂层，涂层具有优异的耐腐蚀、抗氧化、抗渗碳及抑制铁镍元素催化效应等性能。
【附图说明】
图1本发明工艺制备的铬硅共渗涂层表面形貌；
图2本发明工艺制备的铬硅共渗涂层横截面金相图(无孔隙)；
图3普通工艺制备的铬硅共渗涂层横截面金相图(有孔隙)。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法的具体实施方式。
实施例1
本实施例中的一种合金表面铬硅共渗渗剂，包括以下重量百分比的组分粉末：铬：20％，硅铁合金：15％；钛：3％；活化剂：2％(氯化铵0.5％，氟化钠1.5％)；氧化钙：5％；氧化镁：5％；氧化铝：余量。上述组分粉末粒度均为150～250目。
工件材料为Cr25Ni35Nb合金，涂层制备过程如下：
步骤(1)：将氧化铝粉末在1100℃温度下煅烧处理2小时。按重量百分比称取各组分，将其搅拌混合均匀后放入渗箱。
步骤(2)：将工件用碳化硅砂纸打磨至800#，用丙酮清洗并吹干。
步骤(3)：将工件埋入渗剂中并压实，工件距离顶部和底部30mm。然后将渗箱用耐火泥密封，在120℃烘干2小时。
步骤(4)：将烘干后的渗箱置于马弗炉中，首先加热至850℃保温3小时，然后加热至1100℃保温3小时，升温速度为10℃/min。保温结束后随炉冷却后取出。
通过金相分析和SEM分析，本实施例中得铬硅涂层厚度约为150um，涂层组织均匀致密、无孔隙裂纹等缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，其包括以下重量百分比的组分粉末：
铬：12～25％；
硅铁合金：5％～20％；
钛：1～5％；
碱土金属氧化物：5～10％；
活化剂：0.5～3.5％；
氧化铝：余量。
2.如权利要求1所述的一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，所述的碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁中的一种或者两种混合物。
3.如权利要求1所述的一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，所述的活化剂为氯化铵、氟化钠中的一种或两种混合物。
4.如权利要求1所述的一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，所述的组分粉末粒度为150～400目。
5.一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：
步骤(1)：按重量百分比称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱；
步骤(2)：将除油除锈后的待渗工件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100℃～120℃烘干1～2小时；
步骤(3)：将烘干后的渗箱置于高温马弗炉中，在800℃～1250℃的温度下进行包埋共渗处理，随炉冷却后取出。
6.如权利要求5所述的一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中氧化铝粉末在使用前经1000℃～1200℃温度煅烧处理2～3小时。
7.如权利要求5所述的一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中渗箱有多个工件时，相邻工件之间的距离不小于15mm，工件距离渗剂顶部或底部不小于20mm。
8.如权利要求5所述的一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，采用两步法加热工艺，首先加热至800℃～950℃保温2～5小时，然后加热至1000℃～1250℃保温3～6小时，升温速度为5℃～10℃/min。
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