CN106624459A - 一种高铝粉煤灰活性剂及其在b‑c‑s共渗层氩弧重熔中的应用 - Google Patents

一种高铝粉煤灰活性剂及其在b‑c‑s共渗层氩弧重熔中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高铝粉煤灰活性剂及其在B‑C‑S共渗层氩弧重熔中的应用，属于钨极氩弧焊技术领域。所述的高铝粉煤灰复合活性剂为在脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入分析纯级的SiO2、TiO2、Si和CeO2形成。所述的应用为活性氩弧重熔层的制备，在B‑C‑S共渗层表面涂覆高铝粉煤灰复合活性剂，进行活性氩弧重熔。本发明将活性氩弧焊技术和氩弧重熔技术结合，可大幅提高氩弧焊工作效率，降低活性焊接成本，有效实现煤炭伴生资源的高附加值利用，为煤炭伴生资源的利用开辟了新的方法和途径。

Description

一种高铝粉煤灰活性剂及其在B-C-S共渗层氩弧重熔中的 应用
技术领域
本发明属于钨极氩弧焊技术领域，具体涉及一种在B-C-S共渗层表面涂覆高铝粉煤灰复合活性剂制备活性氩弧重熔层的方法。
背景技术
钨极氩弧焊(TIG)是在惰性气体氩气、氦气或氦氩混合气体的保护下利用钨电极与工件之间产生的电弧融化母材和填充焊丝(如果使用填充焊丝)的一种焊接方法。钨极氩弧焊具有以下优点：惰性气体可以起到保护焊件作用，表面产生的氧化膜可以被电弧自动清理；电弧能量集中且稳定，易于引弧，适用于薄板材料的焊接；作业条件好，操作简单，易于实现自动化；适用范围广。但也有一些不足之处:熔深浅，熔敷速率小，生产效率低；钨极载流的能力较差,电流过大钨极烧损严重，易对焊件造成污染；保护性气体价格较贵，增加生产成本；热影响区域大，局部退火导致工件变形、硬度降低、结合力较差等缺点；熔深较浅，对于较厚焊件需要开破口或采用多道焊接工艺，会造成咬边、弧坑、焊瘤，内部组织有针孔和内应力损伤等缺欠。
活性氩弧焊(A-TIG焊)技术可以改善由TIG焊产生的缺欠。活性氩弧焊与常规氩弧焊不同的关键因素在于活性剂。目前，活性剂的研究主要集中在单组元，但多组元复合活性剂的优势更加明显，正日渐得到关注。粉煤灰由大量的氧化物组成，其Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、FeO总量占成分的95％以上，一般大于98％是理想的多组元复合活性剂原材料。但高铝粉煤灰的成分比较复杂，单一粉煤灰作为活性剂无法满足生产需求，因此需要对高铝粉煤灰进行适当的改性处理，以提高铝粉煤灰活性剂高附加值。同时将高铝粉煤灰复合活性剂应用于氩弧重熔技术中，从而优化传统氩弧重熔工艺，以期得到性能更加优异的重熔合金层，提高生产效率，节约能源，降低生产成本，使资源得到有效利用。
重熔处理是利用热源将材料表层及强化合金熔化，产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透，优化合金层的组织结构，减少或消除组织缺陷，提高合金层与基体材料的结合强度。采用适当的重熔处理，可以改善合金层与基体间的结合强度和合金层内在质量，从而提高涂层的耐磨、耐蚀性。目前常见的是钨极氩弧重熔技术。
钨极利用氩弧重熔技术在低碳钢表面制备硬度更高、耐磨性能更好的重熔合金层，例如镍基、钴基、铁基合金等自熔性合金层。参考文献[1](Cheng F T,Lo K H,Man HC.NiTi cladding on stainless steel by TIG surfacing process PartI.Cavitation)利用TIG焊接方法在不锈钢表面制备Ni-Ti合金层，其显微硬度约为750HV，耐腐蚀性能是母材的10倍。参考文献[2](彭军波,陈冰泉,邓旅成.45钢氩弧表面强化及其灰关联分析[J].武汉交通科技大学学报,2000,24(1):86-88)利用氩弧重熔工艺，在45#钢表面制备堆焊合金层，提高了表面硬度及耐磨性。
重熔处理可以消除渗层内部的针状结构、杂质和气孔等，细化渗层组织，同时渗层与基体材料之间形成冶金结合，增强了界面的结合强度，提高了渗层的硬度、耐磨性和耐蚀性等，改变了单一化学热处理工艺存在的局限和不足。然而，渗层重熔工艺还存在一些亟待解决的问题，如渗层结构和成分的设计与优化、重熔工艺参数的选取及如何避免过高热能量导致的渗层元素烧损等。
发明内容
为了解决上述问题，本发明将活性氩弧焊和氩弧重熔技术结合，称其为活性氩弧重熔技术，即在材料的表面涂覆一层活性剂，再进行氩弧重熔制备表面强化合金层。本发明将高铝粉煤灰复合活性剂应用于Q235钢B-C-S共渗层氩弧重熔工艺中，使B-C-S共渗层成分更加均匀，消除缺陷，提高渗层与基体的结合强度，从而改善材料表面硬度、耐磨、耐蚀性，进而提高机械零部件的使用寿命。
本发明的第一个目的是提供一种高铝粉煤灰复合活性剂，所述的高铝粉煤灰复合活性剂为在脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入分析纯级的SiO2、TiO2、Si和CeO2形成，其中，高铝粉煤灰复合活性剂中加入的SiO2的质量分数为8～35％，TiO2的质量分数为4～14％，Si的质量分数为1～5％，CeO2的质量分数为1～6％，优选的，加入的SiO2质量分数为31.90％，TiO2质量分数为4.01％，Si质量分数为1.42％，CeO2质量分数为2.73％。
所述的高铝粉煤灰中SiO2质量分数为35.4％，Al2O3的质量分数为48.5％。
本发明的另一个目的是提供一种所述的高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备中的应用，所述的活性氩弧熔覆层的制备包括有下列步骤：
第一步：高铝粉煤灰复合活性剂的制备；
选择高铝粉煤灰为主要活性剂组元，先对高铝粉煤灰进行脱碳处理，再向脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入SiO2、TiO2、Si和CeO2形成高铝粉煤灰复合活性剂。
所述的高铝粉煤灰复合活性剂中加入的SiO2的质量分数为8～35％，TiO2的质量分数为4～14％，Si的质量分数为1～5％，CeO2的质量分数为1～6％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
所述的脱碳处理参数为：温度750℃，时间2h。
第二步：包埋渗制备B-C-S共渗层；
将预处理的基体试样与B-C-S渗剂装入共渗罐中，用粘土水玻璃密封共渗罐，在DHG-9076A烘干箱中烘干；将烘干的共渗罐放入SX2-8-10中温箱式电阻炉中包埋渗，在预处理后的基体试样表面制得B-C-S共渗层。
所述的B-C-S渗剂由渗剂、催渗剂和填充剂经烘干研磨后均匀混合制得。所述的渗剂包括B4C、FeS和SC固体渗碳剂，所述的催渗剂包括KBF4、NH4Cl、硫脲和CeO2，所述的填充剂为Al2O3。所述的B-C-S渗剂中各组分的质量分数为：B4C为5％、FeS为10％、SC固体渗碳剂为20％、KBF4为5％、NH4Cl为5％、硫脲为1％、CeO2为3％、Al2O3为51％。
所述包埋渗的工艺参数为：升温速度小于3℃/min，550℃保温7h，900℃保温12h。
第三步：B-C-S共渗层表面涂覆高铝粉煤灰复合活性剂；
将高铝粉煤灰复合活性剂与丙酮溶液混合形成悬浊液，用刷子将悬浊液均匀涂于B-C-S共渗层表面，待丙酮挥发后开始焊接。
第四步：B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层；
采用活性氩弧重熔工艺，在预热处理的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层。
所述的活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为100～190A，焊接速度为80～170mm/min。
进一步优选为：焊接电流为140A，焊接速度为110mm/min。
所述的B-C-S共渗层表面预热处理的温度为200℃，时间为1h。
本发明具有的优点在于：
1、采用高铝粉煤灰为主要原料制备高效环保型A-TIG焊活性剂，可实现粉煤灰的高效、经济和环保应用，为粉煤灰的高附加值利用开辟了新途径和新方法。
2、活性氩弧重熔技术是活性氩弧焊技术和氩弧重熔技术的结合，可大幅提高氩弧焊工作效率。
3、本发明提供的高铝粉煤灰复合活性剂用于制备活性氩弧重熔层可以显著提高重熔层的显微硬度、耐磨性能、耐冲蚀性能以及耐腐蚀性能。
附图说明
图1A、1B、1C分别为无活性剂、纯高铝粉煤灰活性剂和高铝粉煤灰活性剂添加情况下得到的熔池截面形貌图；
图2A、2B、2C分别为B-C-S共渗层、普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的XRD分析图谱；
图3A、3B分别为B-C-S共渗层、普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的显微硬度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种高铝粉煤灰复合活性剂，所述的高铝粉煤灰复合活性剂为在脱碳的高铝粉煤灰中加入分析纯级的SiO2、TiO2、Si和CeO2形成，其中，高铝粉煤灰复合活性剂中加入的SiO2的质量分数为8～35％，TiO2的质量分数为4～14％，Si的质量分数为1～5％，CeO2的质量分数为1～6％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
优选的，SiO2的质量分数为20～35％，TiO2的质量分数为4～10％，Si的质量分数为1～2％，CeO2的质量分数为1～3％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
进一步优选的SiO2质量分数为31.90％，TiO2质量分数为4.01％，Si质量分数为1.42％，CeO2质量分数为2.73％。
本发明还提供一种B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备方法，包括有下列步骤：
第一步：高铝粉煤灰复合活性剂的制备；
选择准格尔发电厂产生的高铝粉煤灰为主要活性剂组元，自然状态下的高铝粉煤灰中含有一定量的碳及水分，碳在焊接过程中会产生不利影响，为消除高铝粉煤灰中的不利因素，对高铝粉煤灰进行脱碳处理，脱碳处理参数为：温度750℃，时间2h。经过脱碳处理后高铝粉煤灰主要由各种氧化物组成，其成分组成如表1(由国土资源部东北矿产资源监督检测中心提供)。
表1脱碳处理后的高铝粉煤灰的基本组成
向上述脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入SiO2、TiO2、Si和CeO2形成高铝粉煤灰复合活性剂，所述的高铝粉煤灰复合活性剂中，加入的SiO2的质量分数为8～35％，TiO2的质量分数为4～14％，Si的质量分数为1～5％，CeO2的质量分数为1～6％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰
优选的，SiO2的质量分数为20～35％，TiO2的质量分数为4～10％，Si的质量分数为1～2％，CeO2的质量分数为1～3％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
进一步优选的SiO2质量分数为31.90％，TiO2质量分数为4.01％，Si质量分数为1.42％，CeO2质量分数为2.73％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
第二步：包埋渗制备B-C-S共渗层；
选择Q235-A为基体材料，试样尺寸为30mm×15mm×6mm，对试样预处理，除去表面氧化皮和锈渍，用钢丝刷打磨露出金属光泽，再用丙酮清洗后用风筒吹干表面。
B-C-S渗剂由渗剂、催渗剂和填充剂经烘干研磨后均匀混合制得，按照质量百分含量，B-C-S渗剂中B4C为5％、FeS为10％、SC固体渗碳剂为20％、KBF4为5％、NH4Cl为5％、硫脲为1％、CeO2为3％、Al2O3为51％。
将预处理的Q235-A基体试样与B-C-S渗剂装入共渗罐中，装罐时尽量让试样在渗罐中分布均匀，确保渗剂填满试样四周，并用粘土水玻璃密封，在DHG-9076A烘干箱中烘干。将烘干的共渗罐放入SX2-8-10中温箱式电阻炉中制备B-C-S共渗层，调整中温箱式电阻炉的升温速度小于3℃/min，分段保温加热，550℃保温7h、900℃保温12h，随炉冷却降温。进一步优选的，分段保温加热程序为：500℃保温2h、550℃保温7h、800℃保温2h、900℃保温12h，随炉冷却降温。
第三步：B-C-S共渗层表面涂覆活性高铝粉煤灰复合活性剂；
将高铝粉煤灰复合活性剂与丙酮溶液混合形成悬浊液，用刷子将悬浊液均匀涂于B-C-S共渗层表面，待丙酮挥发。
第四步：B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层；
采用活性氩弧重熔工艺，在预热处理的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层。
所述的活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为100～190A，焊接速度为80～170mm/min。优选的，焊接电流为140～150A，焊接速度为80～140mm/min。
进一步优选为：焊接电流为140A，焊接速度为110mm/min。
所述的预热处理的温度为200℃，时间为1h。
下面给出具体实施例。
实施例1:
应用本发明提供的制备方法，在Q235-A钢基体的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层，具体步骤如下：
第一步，制备高铝粉煤灰复合活性剂：
采用高铝粉煤灰中SiO2含量为35.40wt％，对高铝粉煤灰进行脱碳处理，具体为将高铝粉煤灰在750℃保温2h。
在脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入SiO2、TiO2、Si和CeO2形成高铝粉煤灰复合活性剂。所述的高铝粉煤灰复合活性剂中，加入的SiO2质量分数为35％，TiO2质量分数为4％，Si质量分数为1％，CeO2质量分数为1％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
第二步，在基体表面包埋渗制备的B-C-S共渗层。
选择Q235-A为基体材料，试样尺寸为30mm×15mm×6mm，对试样预处理，除去表面氧化皮和锈渍，用钢丝刷打磨露出金属光泽，再用丙酮清洗后用风筒吹干表面。
B-C-S渗剂由渗剂、催渗剂和填充剂经烘干研磨后均匀混合制得，按照质量百分含量，B-C-S渗剂中B4C为5％、FeS为10％、SC为20％、KBF4为5％、NH4Cl为5％、硫脲为1％、CeO2为3％、Al2O3为51％。
将预处理的Q235-A基体试样与B-C-S渗剂装入共渗罐中，装罐时尽量让试样在渗罐中分布均匀，确保渗剂填满试样四周，并用粘土水玻璃密封，在DHG-9076A烘干箱中烘干。将烘干的共渗罐放入SX2-8-10中温箱式电阻炉中制备B-C-S共渗层，调整中温箱式电阻炉的升温速度小于3℃/min，550℃保温7h，900℃保温12h，随炉降温。
第三步，B-C-S共渗层表面涂刷高铝粉煤灰复合活性剂，进行重熔处理。活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为150A，焊接速度为140mm/min，得到活性氩弧重熔层。
实施例2:
应用本发明提供的制备方法，在Q235-A钢基体的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层，具体步骤如下：
第一步，制备高铝粉煤灰复合活性剂：
采用高铝粉煤灰中SiO2含量不低于35wt％，对高铝粉煤灰进行脱碳处理，具体为将高铝粉煤灰在750℃保温2h。
在脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入SiO2、TiO2、Si和CeO2形成高铝粉煤灰复合活性剂。所述的高铝粉煤灰复合活性剂中，加入的SiO2质量分数为8％，TiO2质量分数为14％，Si质量分数为5％，CeO2质量分数为6％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
第二步，在基体表面包埋渗制备的B-C-S共渗层。
选择Q235-A为基体材料，试样尺寸为30mm×15mm×6mm，对试样预处理，除去表面氧化皮和锈渍，用钢丝刷打磨露出金属光泽，再用丙酮清洗后用风筒吹干表面。
B-C-S渗剂由渗剂、催渗剂和填充剂经烘干研磨后均匀混合制得，按照质量百分含量，B-C-S渗剂中B4C为5％、FeS为10％、SC为20％、KBF4为5％、NH4Cl为5％、硫脲为1％、CeO2为3％、Al2O3为51％。
将预处理的Q235-A基体试样与B-C-S渗剂装入共渗罐中，装罐时尽量让试样在渗罐中分布均匀，确保渗剂填满试样四周，并用粘土水玻璃密封，在DHG-9076A烘干箱中烘干。将烘干的共渗罐放入SX2-8-10中温箱式电阻炉中制备B-C-S共渗层，调整中温箱式电阻炉的升温速度小于3℃/min，500℃保温2h、550℃保温7h、800℃保温2h、900℃保温12h，随炉冷却降温。
第三步，B-C-S共渗层表面涂刷高铝粉煤灰复合活性剂，进行重熔处理。活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为150A，焊接速度为80mm/min，得到活性氩弧重熔层。
实施例3:
在Q235-A钢基体的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层，制备过程中采用的高铝粉煤灰复合活性剂中加入的SiO2质量分数为20％，TiO2质量分数为10％，Si质量分数为2％，CeO2质量分数为3％。在包埋渗制备的B-C-S共渗层表面涂刷高铝粉煤灰复合活性剂，进行重熔处理。活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为190A，焊接速度为170mm/min，得到活性氩弧重熔层。其余同实施例1。
实施例4:
应用本发明提供的制备方法的一个优选技术方案，在Q235-A钢基体的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层，制备过程中采用的高铝粉煤灰复合活性剂中SiO2质量分数为31.90％，TiO2质量分数为4.01％，Si质量分数为1.42％，CeO2质量分数为2.73％。在包埋渗制备的B-C-S共渗层表面涂刷高铝粉煤灰复合活性剂，进行重熔处理。活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为140A，焊接速度为110mm/min，得到活性氩弧重熔层。其余同实施例1。
上述实施例1～4中制备得到的活性重熔层，焊缝深宽比提高。利用氩弧焊作为热源，采用高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层。B-C-S共渗层由Fe2B、FeS、FeS2、Fe3C相组成；共渗层经氩弧重熔后，活性氩弧重熔层中有Fe3(C,B)、Fe23B6、Fe3Si、Fe3Al等新相生成。Q235钢经化学热处理后B-C-S三元共渗层显微硬度可以达到1022Hv，层深为110～130μm；共渗层经氩弧重熔处理后其硬度有所降低，活性重熔层显微硬度可以达到739Hv，硬化层深度达到了1600μm。活性重熔层耐磨性、耐磨粒磨损、耐冲蚀磨损性能和耐盐腐蚀性均相对于基体具有很大的提高。
对照组1：
采用氩弧重熔工艺在在Q235-A钢基体的B-C-S共渗层表面制备普通氩弧重熔层，其余步骤和参数同实施例1，得到普通氩弧重熔层。
下面结合实施例4和对照组的试验数据进一步说明所述活性氩弧重熔层的性能。
图1A～图1C分别为B-C-S共渗层、普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的截面形貌图，表2为普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的熔池的尺寸。从图1A可以看出，B-C-S共渗层厚度为110～130μm，在B-C-S共渗层前端分布着致密的小针状组织，共渗层截面上分布着一些微孔。从图1B可以看出，B-C-S共渗层经普通氩弧重熔工艺处理后，分层现象消失，组织梯度过度平缓，并且可以有效的提高表面合金层的厚度；从图1C可以看出，活性氩弧重熔层与普通氩弧重熔层的宽度相当，但活性氩弧重熔层的熔深较大，说明高铝粉煤灰复合活性剂可以使氩弧焊的能量集中，B-C-S共渗层表面的温度提高，增大了重熔区，在活性剂作用下电弧能量集中，边缘处的过渡区域渗层熔化相对较充分，过渡区梯度相对平缓，减少了边缘处的应力集中。
表2活性氩弧重熔层熔池尺寸
图2A～图2C分别为B-C-S共渗层、普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的XRD分析结果，可以看出，B-C-S共渗层主要由铁素体(α-Fe)、硼化物(Fe2B)、硫化物(FeS、FeS2)和碳化物(Fe3C)组成。在普通氩弧重熔层中FeS2相分解，有固溶强化相Fe3(C,B,S)生成，说明共渗层在电弧力作用下部分或全部相分解，从而使B、C、S进入液相的Fe基体中形成了含B、C、S固溶体。由图2C可见，通过活性氩弧重熔处理后，活性氩弧重熔层同样保留了α-Fe相、FeS、Fe2B等相，同时有Fe3(C,B)、Fe23B6、Fe3Si、Fe3Al相生成，说明加入活性剂后有更多的B、C、S元素与Fe发生反应，形成含有B、C、S元素的固溶体和弥散强化相，它们都会改善材料的硬度和耐磨性能。
从图3A和图3B可见看出B-C-S共渗层的表层硬度可达1022HV，经氩弧重熔处理后可以降低共渗层的显微硬度，普通氩弧重熔层表层显微硬度为834HV，活性氩弧重熔层表层显微硬度为739HV，硬度降低后，有利于改善共渗层表面脆性，提高表面抗脆断和剥落能力。氩弧重熔可以明显的增加硬化层厚度，普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的硬化层深度分别是B-C-S共渗层的5倍和8倍。
表3为干摩擦条件下的粘着磨损失重量，可以看出，随着载荷的增加四种试样的磨损量也随之增加，但活性氩弧重熔试样的增加幅度最小；基体的耐磨性最差，其磨损量最大，B-C-S共渗层耐磨性是基体的2.07倍，普通氩弧重熔和活性氩弧重熔的耐磨性分别是基体的3.30和4.51倍；可见，高铝粉煤灰复合活性剂的加入提高重熔层的耐磨性。
表3不同载荷粘着磨损测试结果
表4为在油摩擦条件下的磨损失重量，可以看出，随着载荷的增加四种试样的磨损量也随之增加，活性氩弧重熔试样的增加幅度最小，Q235基体的耐磨性最差，其磨损量最大，B-C-S三层共渗层耐磨性是基体的2.10倍，普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的耐磨性分别是Q235基体的3.26和4.92倍；可见，高铝粉煤灰复合活性剂的加入提高重熔层的耐磨性。
表4不同载荷粘着磨损测试结果
表5为磨粒磨损性能测试结果，可以看出，Q235钢的耐磨性很差，随着时间的延长，其质量损失迅速增加；B-C-S共渗层的耐磨性得到提高，并且共渗层经氩弧重熔和活性氩弧重熔处理后耐磨性进一步得到提高，其中活性氩弧重熔层的耐磨性能最好，活性氩弧重熔层的耐磨性是基体的6.27倍；可见，高铝粉煤灰复合活性剂的加入可以使渗层组织更加均匀，固溶强化相增加且弥散强化作用显著，耐磨性能更好。
表5磨粒磨损测试结果
表6为在转速为400r/min时冲蚀数据，由实验结果可以看出，四种试样单位面积失重量都随时间增加而增加，Q235基体的失重量增加较明显，2h内Q235基体平均冲蚀磨损失重速率为46.94g·m-2·h-1，B-C-S共渗层平均冲蚀磨损失重速率较基体提高了1.54倍，普通氩弧重熔层和活性氩弧重熔层的平均冲蚀磨损失重速率分别较基体提高了1.67和2.46倍；可见，较高的转速下高铝粉煤灰复合活性剂的加入对于重熔层耐冲蚀性能提高作用明显。
表6冲蚀磨损测试结果(400r/min)
冲击速度为300r/min，冲蚀介质水与石英砂体积比为5000：1600时的耐冲蚀性测试结果如表7所示，四种试样单位面积失重量随着冲蚀时间的增加而增加，Q235基体的失重量最大，2h内Q235基体平均冲蚀磨损失重速率为29.95g·m-2·h-1，活性氩弧重熔层的失重量最小，其平均冲蚀磨损失重速率较基体提高了1.89倍。
表7冲蚀磨损测试结果(5000：1600)
冲击速度为300r/min，冲蚀介质水与石英砂体积比为5000：4000时的耐冲蚀性测试结果如表8所示，四种试样单位面积失重量增加比较明显，Q235基体的失重量最多，活性氩弧重熔层的失重量最小，其平均冲蚀磨损失重速率较基体提高了2.81倍；可见，冲蚀介质的浓度提高后活性剂对耐冲蚀性能的作用也随之提高。
表8冲蚀磨损测试结果(5000：4000)
试样在3.5％的NaCl腐蚀液中的平均腐蚀速率及相对耐蚀性如表9所示，可以看出，Q235基体在的耐蚀性最差，平均腐蚀速率达3.46g·m-2·h-1，B-C-S共渗层平均腐蚀速率较基体提高了2.19倍，B-C-S共渗层经氩弧重熔和活性氩弧重熔后平均腐蚀速率为分别较基体提高了2.58和2.77倍；可见，B-C-S共渗层经氩弧重熔可以有效地提高基体的耐盐腐蚀性，且活性氩弧重熔层的耐蚀性要好于普通氩弧重熔层。
表9耐NaCl腐蚀测试结果
测试方法：
(1)结构分析：利用D/max-Rc型X射线衍射仪对B-C-S共渗、普通氩弧重熔和活性氩弧重熔试样进行测定。实验参数：Cu靶Ka辐射，Ni滤波片，管电压为40Kv，管电流为40mA，狭缝尺寸DS＝I0，RS＝0.3mm，SS＝I0，扫描速度为10°/min，扫描范围为10～90°。
(2)显微硬度测试：使用DUH-211S超显微动态硬度计，在B-C-S共渗、普通氩弧重熔和活性氩弧重熔试样沿纵向进行测试。实验所用的压头为1150三角锥压头，载荷50mN，加载时间5s。
(3)粘着磨损性能测试：使用MMU-10G高温摩擦磨损试验机，对磨材料为GCr15轴承钢，硬度为60HRC，润滑剂为液体石蜡。在油摩擦条件下加载300s，选择载荷分别为100N、150N和200N，转速为200r/min。实验进行前后均用丙酮将试样清洗干净，并用FA1104N电子天平测得质量，计算单位面积失重量。
(4)磨粒磨损性能测试：在ML-10型磨损试验机进行磨损实验，实验参数：载荷为40N，圆盘转速60r/min，对磨材料为3号金相砂纸，磨损周期5min，每个磨损周期结束后均更换对磨材料并采用FA1104N型分析天平称重，共进行四个磨损周期，计算单位面积失重。
(5)冲蚀磨损性能测试：在MSH型腐蚀磨损试验机上进行冲蚀磨损实验。以自来水为流体介质，冲击粒子选用粒径为30-70目的石英砂，冲蚀角为90°，冲蚀时间为0.5h、1h、1.5h、2h，测试完毕后取下试样，用丙酮将试样清洗干净，并用吹风机吹干后称取质量，计算出单位面积质量损失量。
(6)腐蚀性能测试：采用质量失重法，对Q235钢、B-C-S共渗试样、氩弧重熔试样进行3.5％NaCl溶液，每次浸泡24h，共测试5次。将试样用环氧树脂密封，并用丙酮将试样清洗干净，烘干后称取原始质量，然后放入配制好的腐蚀液中，保证试样被腐蚀面与腐蚀液接触，观察腐蚀现象并记录，计算每种试样的单位面积质量损失量。

Claims (10)

1.一种高铝粉煤灰复合活性剂，其特征在于：包括脱碳处理后的高铝粉煤灰，加入的SiO2、TiO2、Si和CeO2；所述的加入的SiO2的质量分数为8～35％，TiO2的质量分数为3～14％，Si的质量分数为1～5％，CeO2的质量分数为1～6％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
2.根据权利要求1所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂，其特征在于：所述的高铝粉煤灰复合活性剂中加入的SiO2的质量分数为20～35％，TiO2的质量分数为4～10％，Si的质量分数为1～2％，CeO2的质量分数为1～3％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
3.根据权利要求1或2所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂，其特征在于：所述的高铝粉煤灰复合活性剂中加入的SiO2质量分数为31.90％，TiO2质量分数为4.01％，Si质量分数为1.42％，CeO2质量分数为2.73％，其余为脱碳处理后的高铝粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂，其特征在于：所述的脱碳处理后的高铝粉煤灰中SiO2质量分数为35.4％，Al2O3的质量分数为48.5％；所述的脱碳处理参数为：温度750℃，时间2h。
5.一种高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备中的应用，其特征在于：包括有下列步骤，
第一步：高铝粉煤灰复合活性剂的制备；
先对高铝粉煤灰进行脱碳处理，再向脱碳处理后的高铝粉煤灰中加入SiO2、TiO2、Si和CeO2形成高铝粉煤灰复合活性剂；
第二步：包埋渗制备B-C-S共渗层；
将预处理的Q235基体试样与B-C-S渗剂装入共渗罐中，用粘土水玻璃密封共渗罐，在DHG-9076A烘干箱中烘干；将烘干的渗罐放入SX2-8-10中温箱式电阻炉中包埋渗，制得B-C-S共渗层；所述的B-C-S渗剂由渗剂、催渗剂和填充剂经烘干研磨后均匀混合制得；所述包埋渗的工艺参数为：升温速度小于3℃/min，550℃保温7h，900℃保温12h；
第三步：B-C-S共渗层表面涂覆高铝粉煤灰复合活性剂；
将高铝粉煤灰复合活性剂与丙酮溶液混合形成悬浊液，用刷子将悬浊液均匀涂于B-C-S共渗层表面，待丙酮挥发后开始焊接；
第四步：B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层；
采用活性氩弧重熔工艺，在预热处理的B-C-S共渗层表面制备活性氩弧重熔层；所述的活性氩弧重熔工艺的参数为：钨极直径为2.0mm，钨极材料为铈钨极，钨极尖角为45°，8#陶瓷喷嘴，电弧长度为3mm，氩气流量为7L/min，焊接电流为100～190A，焊接速度为80～170mm/min；所述的预热处理的温度为200℃，时间为1h。
6.根据权利要求5所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备中的应用，其特征在于：所述的渗剂包括B4C、FeS和SC固体渗碳剂，所述的催渗剂包括KBF4、NH4Cl、硫脲和CeO2，所述的填充剂为Al2O3；所述的B-C-S渗剂中各组分的质量分数为：B4C为5％、FeS为10％、SC固体渗碳剂为20％、KBF4为5％、NH4Cl为5％、硫脲为1％、CeO2为3％、Al2O3为51％。
7.根据权利要求5所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备中的应用，其特征在于：第二步中所述包埋渗的工艺参数为：升温速度小于3℃/min，500℃保温2h、550℃保温7h、800℃保温2h、900℃保温12h，随炉冷却降温。
8.根据权利要求5所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备中的应用，其特征在于：第四步中的焊接电流为140～150A，焊接速度为80～140mm/min。
9.根据权利要求5或8所述的一种高铝粉煤灰复合活性剂在B-C-S共渗层表面的活性氩弧重熔层的制备中的应用，其特征在于：第四步中的焊接电流为140A，焊接速度为110mm/min。
10.一种活性氩弧重熔层，其特征在于：所述的活性氩弧重熔层熔池的深宽比0.35；活性氩弧重熔层的显微组织中包括α-Fe相、FeS、Fe2B，还有Fe3(C,B)、Fe23B6、Fe3Si、Fe3Al相。
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