CN107385374A - 一种原位镶嵌式的金属间化合物‑陶瓷双涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种原位镶嵌式的金属间化合物‑陶瓷双涂层及制备方法，所述的双涂层自高硼钢基体从里向外依次为Fe‑Cr‑Al金属间化合物层、Al2O3层。其中，Fe‑Cr‑Al金属间化合物为(Fe,Cr)Al3、(Fe,Cr)2Al5、(Fe,Cr,Mn)Al3、(Fe,Cr,Mn)2Al5中至少一种；Al2O3层中还可含有SiO2、Cr2O3、MgO、ZnO、MgAl2O4中的一种或多种。将制备的至少含有三维网络状结构的(Cr,Fe)2B、(Cr,Fe,Mn)2B中的一种硼化物的高硼钢进行热浸镀铝‑热氧化处理，进而在高硼钢基体上获得原位镶嵌式的Fe‑Cr‑Al金属间化合物‑Al2O3双涂层。本发明制备工艺简单，制备的涂层与基体之间的界面成特殊的镶嵌式结构，结合较好，同时该双涂层具有优异的耐腐蚀、耐磨损性能，使用范围广，特别适用于承受腐蚀‑磨损的工况。

Description

一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型材料领域，特别涉及一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层及其制备方法。
背景技术
通过热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积等方法对钢铁进行表面改性，可以在其表面形成一层较为致密的保护层，进而实现钢铁耐腐蚀、耐磨损等性能。这些表面改性技术主要有三类，一是表面涂覆，包括了TiN、CrN、Co基合金、碳化物、硼化物及氧化物等；二是表面合金化，包括渗硼、渗氮、氧化、镀铝与氧化等；三是表面双处理，就是结合了表面涂覆和表面合金化，在表面合金化的基础上再涂覆一层耐磨涂层。然而，对于实际应用过程中，这些涂层在一定程度上受制于自身的致密性、厚度、与基体的结合力、热膨胀系数的匹配性、沉积效率、内部残余应力及成本等因素，一旦表面涂层不致密或者剥落，会导致暴露的铁基体被严重腐蚀或磨损而造成整个材料的失效。镀铝可在钢铁表面获得Fe-Al金属间化合物层，而通过对热浸镀铝后的热氧化，可在其表面获得较为致密的Al2O3层。由于Fe-Al金属间化合物、Al2O3陶瓷具有很高的耐蚀、耐磨等性能，故可对铁基体形成很好的保护层作用，从而满足极端条件下的高耐腐蚀、耐磨损等性能要求。然而，Fe-Al金属间化合物-Al2O3复合材料涂层与钢基体的结合力仍然不高，这使得该涂层在高温磨损、冲刷等过程中极易剥落，并最终导致基体的腐蚀、磨损失效。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层及其制备方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层，所述的双涂层自高硼钢基体从里向外依次为Fe-Cr-Al金属间化合物层、Al2O3层;其中，Fe-Cr-Al金属间化合物为 (Fe,Cr) Al3、(Fe,Cr)2Al5、(Fe,Cr,Mn) Al3、(Fe,Cr,Mn)2Al5、（Fe,Cr）Al、（Fe,Cr,Mn）Al中至少一种；Al2O3层中还可含有SiO2、Cr2O3、MgO、ZnO、MgAl2O4中的一种或多种。
所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）高硼钢的制备
制备出B含量为3.2~6.0 wt.%、Cr含量为8.0~45.0 wt.%、Mo含量为0~10.0 wt.%、Mn含量为0~10.0 wt.%的高硼钢；
（2）热浸镀铝
将步骤（1）制备的高硼铸钢加工成一定形状的试样经打磨后浸入到高温铝液中，控制温度、浸入时间和铝液成分，反应一定时间后迅速将试样从铝液中提出，空冷；
（3）热氧化
将步骤（2）制备的表面附有残留铝的高硼铸钢放入电阻炉中，热氧化温度为660~1000℃，保温时间为0.5~5h，随炉冷却。
所述的高硼钢，其组织中除了固溶有Cr的Fe基体以外，需含有三维网络状结构的富Cr的Fe2B（(Cr,Fe)2B和(Cr,Fe,Mn)2 B的至少一种），还可含有三维网络状结构的富Mo的Fe2B。
所述的Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层，Fe-Cr-Al金属间化合物层与高硼钢基体之间的界面呈特殊的凹凸结构，即三维网络状结构的硼化物凸起镶入Fe-Cr-Al金属间化合物层中。
所述的Fe-Cr-Al金属间化合物，是热浸镀铝和热氧化过程中固溶了Cr的Fe基体与Al原子发生化学反应的产物。
所述的Fe-Cr-Al金属间化合物层中，内镶嵌有由Fe-Al金属间化合物和Cr-Al-B金属间化合物交替形成的周期性层片结构。
所述的周期性层片结构是由热浸镀铝和热氧化过程中的Al原子与富Cr的Fe2B产生化学反应生成。
所述的周期性层片结构中的Fe-Al金属间化合物，是富Cr的Fe2B与热浸镀铝和热氧化过程中的Al原子化学反应生成的产物之一。
所述的周期性层片结构呈三维网络状结构镶嵌在Fe-Cr-Al金属间化合物层中。
所述的富Mo的Fe2B不与Al原子发生化学反应，而是保留了其原有结构与形貌镶嵌在Fe-Cr-Al金属间化合物层中。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、高硼钢采用廉价的B元素为主要合金元素，并具有吸收中子的特性，故高硼钢-Fe-Cr-Al金属间化合物层-Al2O3层可作为一种屏蔽材料。
2、通过对高硼钢进行热浸镀铝-热氧化处理，可以在其表面形成致密的Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层，该涂层具有较高的耐腐蚀、抗磨损性能，一方面，致密的Al2O3陶瓷层具有高硬度、高耐蚀性；另一方面，Fe-Cr-Al金属间化合物具有较高的耐腐蚀、耐磨损性能。因此，在承受腐蚀-磨损的过程中，即使外层的Al2O3陶瓷保护层失效，内层的Fe-Cr-Al金属间化合物将继续起到腐蚀屏障的作用。
3、高硼钢与Fe-Cr-Al金属间化合物之间的界面呈特殊的凹凸结构，三维网络状结构的硼化物凸起镶入Fe-Cr-Al金属间化合物层中，增大了该界面的结合力；同时，呈三维网络状结构的周期性层片结构分布在Fe-Cr-Al金属间化合物层中，也增大了Fe-Cr-Al金属间化合物层内部的结合力。这种特殊的镶嵌式结构，可制备出厚度较大可达毫米级的Fe-Cr-Al金属间化合物层，并有效地防止Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层在高温磨损、冲刷-腐蚀以及腐蚀-磨损等过程中发生剥落。
附图说明
图1为实施例1制备的高硼铸钢的显微组织。
图2为实施例1制备的高硼铸钢热浸镀铝后的界面形貌。
图3为图2为实施例1制备的高硼铸钢热浸镀铝后的界面在富Cr的Fe2B处的放大形貌。
图4为图2为实施例1制备的高硼铸钢热浸镀铝后的界面在富Mo的Fe2B处的放大形貌。
图5为实施例1制备的高硼铸钢热浸镀铝-热氧化后的界面形貌。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
（1）制备出Fe-12.3 wt.%Cr-5.88 wt.%Mn-3.6 wt.%B-1.89 wt.%Mo-0.36 wt.%C的高硼钢，其显微组织如图1所示，可看到，高硼钢的Fe基体中分布着连续网络状结构的(Cr,Fe)2B。
（2）将该高硼钢进行热浸镀铝，铝液为纯铝，铝液温度为750℃，热浸镀时间为8h，样品取出后空冷，经抛光后看到呈高硼钢-Fe-Cr-Al金属间化合物-Al三层结构，如图2所示，而在富Cr的Fe2B，即(Cr,Fe,Mn)2B，与Al的反应界面上生成周期性层片结构（PLS），同时，富Cr的Fe2B与钢基体之间的界面呈特殊的凹凸结构，如图3所示；富Mo的Fe2B与钢基体的界面如图4所示。上述两种硼化物都镶入到Fe-Cr-Al金属间化合物中。
（3）将步骤（2）获得的表面附有残留铝的热浸镀铝高硼钢进行热氧化，热氧化温度为800℃，保温时间为2h，随炉冷却，试样经抛光后的界面组织如图5所示，在高硼钢基体上形成Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层，并可明显看出热浸镀铝和扩散退火形成的PLS在形貌上有着较大的差异。
实施例2：
（1）制备出Fe-8.0 wt.%Cr -3.5 wt.%B -0.36 wt.%C的高硼钢，其显微组织由Fe基体和连续网络状结构的(Cr,Fe)2B组成。
（2）将该高硼钢进行热浸镀铝，铝液为Al-10wt.%Zn熔体，铝液温度为750℃，热浸镀时间为1h，样品取出后空冷，经抛光后看到呈高硼钢-Fe-Cr-Al金属间化合物-Al三层结构，而在富Cr的Fe2B，即(Cr,Fe)2B，与Al的反应界面上生成周期性层片结构，同时，富Cr的Fe2B与钢基体之间的界面呈特殊的凹凸结构，富Cr的Fe2B镶入到Fe-Cr-Al金属间化合物中。
（3）将步骤（2）获得的表面附有残留铝的热浸镀铝高硼钢进行热氧化，热氧化温度为660℃，保温时间为5h，随炉冷却，试样经抛光后的界面组织在高硼钢基体上形成Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层，其中，Al2O3层中含有ZnO。
实施例3：
（1）制备出Fe-35.0 wt.%Cr-0.24 wt.%C的高硼钢，其显微组织如图1所示，可看到，高硼钢的Fe基体中分布着连续网络状结构的(Cr,Fe)2B。
（2）将该高硼钢进行热浸镀铝，铝液为纯铝，铝液温度为800℃，热浸镀时间为1h，样品取出后空冷，经抛光后看到呈高硼钢-Fe-Cr-Al金属间化合物-Al三层结构，而在富Cr的Fe2B，即(Cr,Fe)2B，与Al的反应界面上生成周期性层片结构，同时，富Cr的Fe2B与钢基体之间的界面呈特殊的凹凸结构，富Cr的Fe2B镶入到Fe-Cr-Al金属间化合物中。
（3）将步骤（2）获得的表面附有残留铝的热浸镀铝高硼钢进行热氧化，热氧化温度为1000℃，保温时间为1h，随炉冷却，试样经抛光后的界面组织在高硼钢基体上形成Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层，所述的双涂层自高硼钢基体从里向外依次为Fe-Cr-Al金属间化合物层、Al2O3层；其中，Fe-Cr-Al金属间化合物为 (Fe,Cr)Al3、(Fe,Cr)2Al5、(Fe,Cr,Mn) Al3、(Fe,Cr,Mn)2Al5、（Fe,Cr）Al、（Fe,Cr,Mn）Al中至少一种；Al2O3层中还可含有SiO2、Cr2O3、MgO、ZnO、MgAl2O4中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）高硼钢的制备
制备出B含量为3.2~6.0 wt.%、Cr含量为8.0~45.0 wt.%、Mo含量为0~10.0 wt.%、Mn含量为0~10.0 wt.%的高硼钢；
（2）热浸镀铝
将步骤（1）制备的高硼铸钢加工成一定形状的试样经打磨后浸入到高温铝液中，控制温度、浸入时间和铝液成分，反应一定时间后迅速将试样从铝液中提出，空冷；
（3）热氧化
将步骤（2）制备的表面附有残留铝的高硼铸钢放入电阻炉中，热氧化温度为660~1000℃，保温时间为0.5~5h，随炉冷却。
3.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，所述的高硼钢，其组织中除了固溶有Cr的Fe基体以外，需含有三维网络状结构的富Cr的Fe2B（(Cr,Fe)2B和(Cr,Fe,Mn)2B的至少一种），还可含有三维网络状结构的富Mo的Fe2B。
4.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的Fe-Cr-Al金属间化合物-Al2O3双涂层，Fe-Cr-Al金属间化合物层与高硼钢基体之间的界面呈特殊的凹凸结构，即三维网络状结构的硼化物凸起镶入Fe-Cr-Al金属间化合物层中。
5.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的Fe-Cr-Al金属间化合物，是热浸镀铝和热氧化过程中固溶了Cr的Fe基体与Al原子发生化学反应的产物。
6.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的Fe-Cr-Al金属间化合物层中，内镶嵌有由Fe-Al金属间化合物和Cr-Al-B金属间化合物交替形成的周期性层片结构。
7.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的周期性层片结构是由热浸镀铝和热氧化过程中的Al原子与富Cr的Fe2B产生化学反应生成。
8.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的周期性层片结构中的Fe-Al金属间化合物，是富Cr的Fe2B与热浸镀铝和热氧化过程中的Al原子化学反应生成的产物之一。
9.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的周期性层片结构呈三维网络状结构镶嵌在Fe-Cr-Al金属间化合物层中。
10.根据权利要求1或2所述的一种原位镶嵌式的金属间化合物-陶瓷双涂层的制备方法，其特征在于，所述的富Mo的Fe2B不与Al原子发生化学反应，而是保留了其原有结构与形貌镶嵌在Fe-Cr-Al金属间化合物层中。
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