CN104911536A

CN104911536A - 一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法

Info

Publication number: CN104911536A
Application number: CN201510358590.XA
Authority: CN
Inventors: 宋月鹏; 陈义祥; 刘自平; 徐保岩; 李江涛; 王征
Original assignee: Shandong Agricultural University
Current assignee: Shandong Agricultural University
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明涉及一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法；是通过机械研磨使材料基体表面获得均匀的纳米晶，然后利用稀土催渗固体渗铝法对钢件进行低温渗铝，形成高性能的渗铝层。本发明将钢件与不同粒径、数量的研磨球共同放入振动磨中，振动研磨，不同粒径研磨球对钢件表面冲击能量不同，易于实现钢件表面纳米化处理；本发明主要目的是改善传统渗铝工艺过程中渗铝温度高、保温时间长，获得的渗铝层不致密，使用效果差等问题，通过此方法获得工件具有较高的抗高温氧化性及耐腐蚀性能。本发明获得的表面渗铝涂层比较均匀、致密，具有单层结构的铝化物涂层与基体的结合良好，没有出现显微裂纹，渗层中部是比较窄的过渡区，Fe和Al元素分布均匀。

Description

一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法

一、技术领域：

本发明涉及一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法，属于表面工程领域。

二、背景技术：

渗铝是一种表面热处理技术，通过物理或化学方法在基体表面形成一层具有抗高温氧化性、耐酸碱腐蚀等优良性能的致密薄膜，渗铝钢被大量使用在一些受压部件、高温氧化环境和一些含有硫或硫化物的环境中，如石油、电力、交通、化工、冶金和航空航天等领域。

渗铝是一种原子扩散过程，受温度的影响很大，为得到足够的渗层厚度和提高渗速往往需要很高的温度。自上世纪30年代，国内外已经开始研究渗铝工艺，已开发料浆法、热浸法、包埋法、热喷涂、物理气相沉淀、化学气相沉淀等制备渗铝层薄膜的工艺，但是这些工艺大都需要很高的温度(950℃～1100℃)，渗铝过程中高温使基体完全奥氏体化，经退火后会集体组织发生重结晶，严重影响钢件机械性能；另外，生成的渗铝层在高温环境下生成脆硬的氧化铝膜，在载荷作用选容易开裂，缩短工件寿命。渗层成分主要以Fe₂Al₅、FeAl₃脆性相为主，与基体结合力差，伴有裂纹容易脱落，粘附严重，表面质量差，对后续处理造成很大困难。渗铝是活性Al原子向金属内部扩散的过程，由于基体组织晶界数量少，可提供Al原子进入内部的通道少，Al原子数量达到一定数量后会饱和，阻碍Al向基体内部扩散，导致获得的渗层厚度很浅。实践证明，对钢件进行机械研磨纳米化处理，在表面形成微纳米晶以提高晶界体积分数，获得更多的铝原子扩散通道，增加形核率和减少反应时间,降低原子的扩散能。同时，众多研究结果表明，稀土元素不仅具有显著的催渗效果，降低渗铝温度，缩短渗铝时间，而且显著改善渗铝层性能，增加渗层厚度与硬度，提高渗层与基体结合强度等，可以实现在低温环境下渗铝。

三、发明内容：

本发明提供了一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法；通过机械研磨使材料基体表面获得均匀的纳米晶，然后利用稀土催渗固体渗铝法对钢件进行低温渗铝，形成高性能的渗铝层。本发明将钢件与不同粒径、数量的研磨球共同放入振动磨中，振动研磨，不同粒径研磨球对钢件表面冲击能量不同，易于实现钢件表面纳米化处理；本发明主要目的是改善传统渗铝工艺过程中渗铝温度高、保温时间长，获得的渗铝层不致密，使用效果差等问题，通过此方法获得工件具有较高的抗高温氧化性及耐腐蚀性能。

一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法，包括如下步骤：

1、将钢件使用体积分数75％的酒精超声清洗30min～60min；超声清洗后使用清水冲洗干净；

2、将步骤1)中清洗干净的钢件200℃～350℃烘烤至表面干燥无油；再将烘烤后的钢件放入质量分数为20％～30％的盐酸溶液中，浸泡5～10min；将盐酸浸泡后的钢件用流动清水冲洗2～8min，吹干表面水渍。

3、机械研磨：

根据钢件尺寸，合理级配氧化锆研磨球的直径与数量，将氧化锆研磨球与步骤2)吹干的钢件振动研磨4h～6h，待冷却后取出并用刷子将钢件表面的粉末刷掉。

4.电阻加热炉内低温渗铝：

将步骤3)研磨振动后的钢件和渗铝剂置于渗箱，钢件之间、钢件与渗箱侧壁之间间距均不低于20mm；装箱完毕后，盖上不锈钢盖，渗箱与不锈钢盖间的缝隙用水玻璃泥进行密封；将渗箱置于空气中，待水玻璃泥固化。而后将渗箱500℃～700℃低温渗铝4h～6h，炉冷至室温，开箱取样，得到表面纳米化低温渗铝处理后的钢件。

所述渗铝剂组分按质量比为：20％～25％Al粉(150～300目)，0％～10％铝铁粉(100～200目)，4％～6％氯化稀土，1％～2％氯化铵，剩余为填充剂氧化铝粉末，各组分质量比之和为100％。

本发明表面纳米化处理后低温渗铝工艺的优点如下：

1.钢件经过纳米化处理后获得纳米晶等轴状的纳米晶特殊结构，使得纳米层具有高的晶界体积分数，可增加形核率，为原子的扩散提供必要的通道，降低原子的扩散能，同时，结合稀土元素显著的催渗效果，采用正交试验获得的低温渗铝剂，从而可以实现低温扩散和缩短反应时间，节省能源。

2.表面纳米化将纳米材料的独特性能赋予传统材料，通过对基体表面组织的优化有效的改善和提高材料的表面性能，如疲劳强度、抗蚀性和耐磨性。

3.获得的表面渗铝涂层比较均匀、致密，具有单层结构的铝化物涂层与基体的结合良好，没有出现显微裂纹，渗层中部是比较窄的过渡区，Fe和Al元素分布均匀。

四、附图说明：

图1钢件机械研磨表面纳米化处理低温渗铝工艺流程图；

图2是316L不锈钢经8h机械研磨形成的纳米化组织形貌图；

由图2可以看出，在316L不锈钢表面形成很多凹槽。凹槽的形成是由于钢件与氧化锆球在撞击过程形成大量的凹坑，无数的凹坑聚集在一起形成图中的凹槽，凹槽处形成大量组织缺陷(晶界、位错、孔洞、挛晶等)，为铝原子渗入基体提供更多通道，同时，由于稀土原子催渗效果，可以加速原子向基体内部扩散。

图3为稀土催渗渗铝剂渗前与渗后的状态比较图；

图中a图为稀土催渗渗铝剂渗前状态；b图为稀土催渗渗铝剂渗后状态；

图3表明，渗铝剂渗后非常松散，没有粘结，这对于钢件渗后清理，保证表面质量及渗铝剂的重复应用都具有重要意义。

图4是316L不锈钢表面纳米化处理低温渗铝层形貌图；

由图4可以看出利用本发明制备的渗铝层比较致密均匀，无孔隙及裂纹。

图5是40Cr钢表面纳米化处理后低温渗铝组织形貌图；

由图5可以看出渗层组织均匀致密，厚度可达60μm左右，渗铝层硬度达700HV_0.98N，与未纳米化试样渗铝层相比硬度提高了1倍以上，同时也显示出渗铝层/过渡区界面经表面纳米化处理后参差不齐的凹槽形貌。

图6是40Cr钢件不同处理后(本发明处理、未渗铝处理)600℃高温氧化时间与增重关系图；

由图6可以看出，40Cr钢件经本发明处理后，表面形成渗铝层在氧化过程中形成致密氧化膜，高温氧化20h后，增重为2mg/cm²，是未处理试样氧化增重的6倍以上，说明本发明处理的钢件具有显著的抗高温氧化性能。

图7是不同处理工艺对40Cr钢件耐腐蚀性能的影响。

由图7看出，40Cr钢件经本发明渗铝处理后，在H₂S腐蚀介质内失重随时间变化关系曲线，与未渗铝钢件相比，本发明形成的渗铝层抗腐蚀能力大大增强。

图8是316L不锈钢试样不同处理方式(本发明处理、未处理)腐蚀极化曲线图；

由图8可以看出经本发明处理的316L不锈钢试样电化学腐蚀对流密度降低了21.7％，进一步证明了本工艺形成的渗铝层具有较强的抗腐蚀能力。

五、具体实施方式：

实施例1：

本实施例以316L不锈钢钢件为例，进行本发明所指的表面纳米化处理后低温渗铝，步骤如下：

1、超声清洗：在超声清洗池内加入质量分数为75％的酒精，酒精加入体积占整个清洗池体积的三分之一；将钢件放入超声池中清洗30min～60min；超声清洗后使用清水冲洗干净至表面光亮并形成连续的水膜；

2、干燥除油：将冲洗干净的钢件放在干燥箱内，温度设定在200℃-350℃烘烤至表面干燥无油为止；再将烘烤后的钢件放入质量分数为20％～30％的盐酸溶液中，浸泡5～10min；将盐酸浸泡后的钢件用流动清水冲洗2min～8min，用吸水纸擦干表面水渍。

3、机械研磨：

本实施例使用的钢件尺寸约为400mm²，将100个φ1mm、50个φ3mm、50个φ5mm和30个φ10mm的氧化锆研磨球与步骤2)吹干的钢件放入机械研磨振动机中研磨振动6h后，表面微观形貌如图2所示。本发明根据钢件尺寸大小，确定不同粒径、数量、材质等的研磨球，一般钢件尺寸越大，研磨球数量越多。

4、电阻加热炉内低温渗铝：

将步骤3)研磨振动后的钢件与渗铝剂置于渗箱，钢件之间、钢件与渗箱侧壁之间间距均不低于20mm；同时渗箱内还需放置2～3个与钢件相同材质的的金相检测试样；装箱完毕后，盖上不锈钢盖，渗箱与不锈钢盖间的缝隙用水玻璃泥进行密封；将渗箱置于空气中，待水玻璃泥固化。而后将渗箱放入井式炉内加热，渗铝温度为700℃，保温4小时后随炉冷却至室温，开箱取样清理，得到表面纳米化低温渗铝处理后的钢件。

配置的渗铝剂各组分按质量比为：25％Al粉(200目)，4％氯化稀土，1％氯化铵，剩余为填充剂氧化铝粉末(100目)，各组分质量比之和为100％。

清理钢件表面，按JB/T10448-2005标准(钢铁构件固体渗铝工艺及质量检验标准)对渗铝后的钢件质量进行评价，如渗铝层外观、产品外形尺寸等，将随炉处理的金相检测试样进行微观组织、显微硬度等检测分析，对渗层厚度、显微硬度、致密度(孔隙率)及裂纹等进行评价，结果表明：渗箱内渗铝剂松散，未发生粘结现象，如图3所示。钢件渗铝后表面呈均匀银灰色，利用25％硝酸溶液涂覆表面，未发现漏渗现象发生。对随炉处理的与钢件相同材质的316L金相检测试样进行组织形貌观察，如图3所示，获得的渗铝层连续、均匀、致密，厚度为20μm左右，孔隙及裂纹级别为0级。

实施例二：

以40Cr钢件为例，进行本发明所指的表面纳米化加热低温渗铝。渗铝组分质量比：20％Al粉(200目)，5％铝铁粉(200目)，4％氯化镧，1％氯化铵，剩余70％为填充剂氧化铝粉末(100目)。

按照实施例1所述的方法进行表面纳米化加热低温渗铝：其中钢件经机械研磨表面纳米化处理6h，图4为处理6h后表面的组织形貌，钢件、2个40Cr金相检测试样与渗铝剂一起装箱，水玻璃泥密封，固结后在箱式炉内低温渗铝(700℃)，保温6h，随炉冷却，开箱取出钢件和金相检测试样并清理表面，按照JB/T10448-2005标准(钢铁构件固体渗铝工艺及质量检验标准)对钢件进行渗铝质量检测。

在光学金相显微镜下观察随炉处理检测试样的组织结构形貌，可知渗层组织均匀致密，厚度可达60μm左右，如图5所示，图中显示渗铝层/过渡层间呈现凹凸不平、犬牙交错的结构，这对于渗铝层与基体结合强度提高具有重要意义。用显微硬度仪测试表面硬度达700Hv_0.98N，与未纳米化试样渗铝层相比，硬度提高了1倍以上。

实施例3：以40Cr钢材质为例：

渗铝组分：20％Al粉(200目)，5％铝铁粉(200目)，4％氯化镧，1％氯化铵，剩余70％为填充剂氧化铝粉末(100目)。

用实施例1所述的方法进行表面纳米化加热低温渗铝，并分析钢件渗铝后抗氧化性能。试样(尺寸为数量20个)经机械研磨表面纳米化处理6h后，与渗铝剂一起装箱，水玻璃泥密封，固结后在箱式炉内低温渗铝(650℃)，保温4h，随炉冷却，开箱取出试样并清理表面。

将渗铝试样与未处理试样分别放入氧化铝陶瓷坩埚中，一同置于干燥箱内，加热干燥箱，温度设定600℃。每氧化2个小时取出冷却至室温称重，氧化总时间12h。

将经本实施例处理的40Cr钢试样和未经本发明渗铝处理的同样的40Cr钢试样进行抗高温氧化结果比较：结果如图6所示：经机械研磨表面纳米化低温渗铝的40Cr钢，可以获得致密均匀的氧化铝层，由其氧化增重曲线可知，该渗铝层氧化过程中增重速度很慢，600℃高温氧化20h后增重只有2mg/cm²，而未处理试样增重达到13.1mg/cm²，说明该工艺形成的渗铝层具有优良的氧化性能。

实施例4：以40Cr钢作为试样，用实施例1所述的方法进行表面纳米化加热低温渗铝，并分析钢件渗铝后抗腐蚀性能。

渗铝组分：20％Al粉(200目)，5％铝铁粉(200目)，4％氯化镧，1％氯化铵，填充剂为含量70％的氧化铝粉末。

选用40Cr钢抗腐蚀性能试样的尺寸为数量20个，首先对其表面进行去油、去锈处理，而后用实施例1所述的方法进行表面纳米化加热低温渗铝，渗铝温度为650℃，保温4h，随炉冷却至室温取出，清理试样表面。

将同样未经渗铝处理的40Cr钢为对照试样，在塑料膜密封的1000ml烧杯内进行试验，用恒温水浴锅加热保持恒温。将渗铝件试样和未渗铝件试样用塑料绳拴好后悬挂于烧杯内，量杯中加入硫化钠和硫酸，产生的硫化氢对试样进行腐蚀试验。每隔2h取出称量一次，侵蚀12h后取出试样用清水冲洗，用软毛刷将试样表面的腐蚀物擦掉，经酒精清洗后吹干以备称量。用分析天平进行称量，其数值保留小数点的后四位。

本发明渗铝处理和未渗铝处理对40Cr钢件抗腐蚀性能的影响规律如图7所示，未渗铝处理的钢件失重严重，而本发明渗铝处理的试样随侵蚀时间延长失重缓慢，抗腐蚀能力显著增强。

实施例5：以316L不锈钢材质为试样，用实施例1所述的方法进行表面纳米化加热低温渗铝，并分析钢件渗铝后抗氧化性能。

渗铝组分：20％Al粉(200目)，5％铝铁粉(200目)，4％氯化镧，1％氯化铵，填充剂为含量70％的氧化铝粉末(100目)。

试样(尺寸为数量20个)经机械研磨表面纳米化处理6h后，与渗铝剂一起装箱，水玻璃泥密封，固结后在箱式炉内低温渗铝(650℃)，保温4h，随炉冷却，开箱取出试样并清理表面。

以同样的未经本发明处理的316L不锈钢为对照试样，运用天津兰立科公司出品的LK2010电化学工作站对上述两种不同工艺处理的316L不锈钢试样进行电化学腐蚀，腐蚀实验在1mol/L NaOH溶液、三电极电解系统中进行。首先测开路电势，确保腐蚀过程中电位稳定没有大幅度波动，然后测试腐蚀曲线。每个试样测量五次，结果如图8所示。

由图8可知，经过本发明渗铝处理的试样电流密度为1.5086mA/cm²，低于未渗铝处理试样的腐蚀电流密度1.9286mA/cm²，说明经过机械研磨渗铝处理抗腐蚀性增强。这主要是由于Al原子渗入扩散通道并使晶界处于饱和状态，消除了机械研磨产生的内应力，使表层晶粒处于一种稳定的低能状态，抗腐蚀能力增强，并在腐蚀过程中形成比较稳定的钝化区域。

Claims

1.一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将钢件使用体积分数75％的酒精超声清洗30min～60min；超声清洗后使用清水冲洗干净；

2)将步骤1)中清洗干净的钢件200℃～350℃烘烤至表面干燥无油；再将烘烤后的钢件放入质量分数为20％～30％的盐酸溶液中，浸泡5～10min；将盐酸浸泡后的钢件用流动清水冲洗2min～8min，吹干表面水渍；

3)机械研磨：

根据钢件尺寸，合理级配氧化锆研磨球的直径与数量，将氧化锆研磨球与步骤2)吹干的钢件振动研磨4h～6h，待冷却后取出并用刷子将钢件表面的粉末刷掉；

4)电阻加热炉内低温渗铝：

将步骤3)研磨振动后的钢件与渗铝剂置于渗箱，钢件之间、钢件与渗箱侧壁之间间距均不低于20mm；将渗箱密封后于500℃～700℃低温渗铝4h～6h，炉冷至室温，开箱取样，得到表面纳米化低温渗铝处理后的钢件；

所述渗铝剂组分按质量比为：20％～25％150～300目Al粉，0％～10％100～200目铝铁粉，4％～6％氯化稀土，1％～2％氯化铵，剩余为填充剂氧化铝粉末；渗铝剂各组分质量比之和为100％。