CN108315684A - 一种圆环链的渗铝方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆环链的渗铝方法，能够保持高温环境下较短时间内形成超厚铁铝化合物层，首先对圆环链进行热浸镀铝，其表面从外到内依次形成铝层和铁铝金属间化合物层；热扩散保护：将质量分数5‑35％的硅酸钠溶液与二氧化硅粉末混合，制成保护浆，将表面形成热浸镀铝层的圆环链浸入所述保护浆中，待其表面挂上一层保护浆膜层后，取出晾干；热扩散处理：将挂上保护浆膜层并晾干的圆环链置于高温扩散炉内，750‑950℃下热扩散40～180min形成Fe‑Al层，其由外到内依次为Fe‑Al相层和Fe₃Al相层；淬火及回火：采用工频加热方式，将圆环链温度增加至Fe基材相变温度，然后水冷淬火，400℃低温回火。

Description

一种圆环链的渗铝方法

技术领域

本发明涉及渗铝钢热处理技术领域，具体涉及一种能够保持高温环境下较短时间内在圆环链表面形成超厚铁铝化合物层，有效提升圆环链综合性能的圆环链渗铝方法。

背景技术

圆环链作为牵引链广泛应用于刮板输送机、刨煤机、滚筒采煤机等煤矿井下工作机上，我国已经成为圆环链主要生产大国和消费大国。因煤矿井下环境恶劣，使得圆环链成为一种易损部件。在使用过程中，圆环链既受拉伸又受冲击载荷作用，圆环链中的链环与链轮接触时顶部产生磨损和接触疲劳。同时，矿井下潮湿闷热，链条的腐蚀现象严重。因此，圆环链应具备高强度、高韧性、耐磨损、耐腐蚀的多重综合性能。

对钢铁材料表面进行热浸镀铝处理，能够达到强化、防护和美化钢铁表面的作用，具体可以在钢铁材料表面制备富铝层和金属间化合物组成的热浸镀铝层。研究表明，适当的热扩散处理可以有效的通过铁铝原子互扩散，使得浸镀铝层大部分转变成连续的铁铝化合物层，由于铁铝金属间化合物密度小、熔点高、高温性能好，还具有优异的力学性能和抗高温氧化性，因此，能够进一步提高材料的耐腐蚀、耐磨损以及高温抗氧化性能。

然而，目前对于热浸镀铝层的热扩散处理方式仍旧存在其局限性，主要问题在于：首先，处理温度不能过高，一般控制在700～850℃，防止表面的富铝层接近铝的升华温度后，铝单质会直接蒸发，降低基体表面铝浓度，由此并不利于金属间原子的互扩散。其次，处理时间较长。由于扩散温度不宜过高，因此需要较长的处理时间才能获得一定厚度的铁铝化合物层，一般为3～5小时。第三，行业内为了避免表面铝原子受热蒸发后，Fe-Al层与氧气结合形成易裂氧化铁层，影响产品的正常使用，通常需要将待处理材料放入高真空炉进行热处理，由此极大的影响了工业化大规模生产的成本和效益，很难实现产业化应用，为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的提供一种圆环链的渗铝方法，能够保持高温环境下较短时间内形成超厚铁铝化合物层，提升圆环链的综合性能，实现对于圆环链渗铝的工业化大规模应用。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种圆环链的渗铝方法，具体步骤如下：

步骤一、对圆环链进行热浸镀铝，其表面从外到内依次形成铝层和铁铝金属间化合物层；

步骤二、热扩散保护：将质量分数5-35％的硅酸钠溶液与二氧化硅粉末混合，制成保护浆，将表面形成热浸镀铝层的圆环链浸入所述保护浆中，待其表面挂上一层保护浆膜层后，取出晾干；

步骤三、热扩散处理：将挂上所述保护浆膜层并晾干的圆环链置于高温扩散炉内，750-950℃下热扩散40～180min形成Fe-Al层，所述Fe-Al层由外到内依次为FeAl相层和Fe₃Al相层；

步骤四、淬火及回火：采用工频加热方式，将圆环链温度增加至Fe基体相变温度，然后水冷淬火，400℃低温回火。

进一步地，步骤一中，所述热浸镀铝具体包括：将Fe基体制成的圆环链条浸入700～780℃热浸镀铝炉中2～10min。

进一步地，步骤一中，所述铝层厚度为10-160μm，所述铁铝金属间化合物层厚度为10-150μm。

进一步地，步骤一中，形成的所述铁铝金属间化合物层由外到内依次为：Fe₂Al₅相层，FeAl₃相层和Fe₃Al相层。

进一步地，步骤二中，所述硅酸钠溶液与二氧化硅粉末的质量比为1:2-1:5

进一步地，步骤二中，所述二氧化硅的粒度为600-1500目。

进一步地，步骤二中，将圆环链浸入所述保护浆中，缓慢摇动所述圆环链并持续20s-180s，待圆环链表面均匀挂上保护浆膜层后捞出，

进一步地，步骤二中，形成的所述保护浆膜层厚度为1-6mm。

进一步地，步骤三中，所述Fe-Al层厚度为30-160μm。

本发明提供的圆环链的渗铝方法，采用该方法获得的圆环链产品能够最大程度的将热浸镀铝钢件表面的富铝层通过热扩散与铁原子结合，形成超厚的具有良好韧性的元素梯度变化的Fe-Al层，对圆环链进行有效的表面防护、表面强化，具有更加优良的耐腐蚀、耐高温氧化及耐磨损性能，能够极大的改善圆环链在工况下承受拉伸和冲击载荷的能力，有效的提高接触疲劳性能。且工艺简单，成本低，因此可实现在生产中的广泛应用，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的圆环链渗铝的流程图；

图2为实施例1中圆环链热浸镀铝后的截面形貌；

图3为实施例1中圆环链热扩散处理后的截面形貌。

具体实施方式

通过参考示范性实施例阐明本发明技术问题、技术方案和优点。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。

图1为本发明提供的圆环链渗铝方法流程图，下面，根据图1对本方案进行详细介绍。

一种圆环链的渗铝方法，如图1所示，具体步骤如下：

101、对圆环链进行热浸镀铝，将Fe基体制成的圆环链条浸入700～780℃热浸镀铝炉中2～10min，其表面从外到内依次形成铝层和铁铝金属间化合物层。根据基体不同，处理工艺的时间不同，形成的铁铝金属间化合物层的厚度也不同，根据上述三种Fe基体制成的圆环链，热浸镀铝后，内层的铁铝金属间化合物层厚度为10-150μm，外层铝层厚度为10-160μm。其中的铁铝金属间化合物层由外到内依次为Fe₂Al₅相层，FeAl₃相层和Fe₃Al相层。

本方案中的圆环链主要指的是基体为23MnNiMoCr54、20Mn2和25MnV制成的圆环链，当然也可以采用其它普通钢制成的圆环链。

102、热扩散保护：将质量分数5-35％的硅酸钠溶液与粒度为600-1500目的二氧化硅粉末按照1:2-1:5的质量比混合，制成保护浆，将表面形成热浸镀铝层的圆环链浸入所述保护浆中，缓慢摇动所述圆环链并持续20s-180s，待圆环链表面均匀挂上保护浆膜层后捞出晾干，形成的所述保护浆膜层厚度为1-6mm。优选摇动时间可以为30s、40s、50s或者100s、120s、130s、140s、150s等。

硅酸钠溶液与二氧化硅粉末的质量比为1:2-1:5，在此质量比例下，二者混合能够形成类似于浆糊状的保护浆，可以很好的达到蘸取后捞出时，通过肉眼观察看到，能够完全附着基材，并达到1-6mm左右的厚度。通常，根据基材的不同，形成的保护浆膜层的厚度也不同，平均值为5mm左右，也会形成2mm、3mm或者4mm的保护浆膜层。

其中的保护浆使用原料二氧化硅粉末和硅酸钠溶液，相当于是原料颗粒和黏结剂，常温混合后不会发生反应。二者混合最终形成的保护浆呈现浆糊状，可以很好的外挂于材料表面不滴落。

保护浆的原材料都有耐高温特性，保护膜层晾干后，可以耐高温1000℃以上，因此在热扩散过程中，可以很好的保持原状态，实现其保护作用，扩散完成并随炉冷后出炉，保护层没有任何变化。

为了防止后续的淬火回火过程中圆环链材料表面的Fe-Al层发生氧化，因此保护层一直到完成整体圆环链材料的淬火及回火过程后，再去除。去除的方法是，浸泡于40℃左右的温水当中，保护层将溶于水，实现与材料本体的脱离，然后对圆环链产品进行冲洗和烘干即可。

103、热扩散处理：将挂上所述保护浆膜层并晾干的圆环链置于高温扩散炉内，750-950℃下热扩散40～180min形成Fe-Al层，所述Fe-Al层由外到内依次为FeAl相层和Fe₃Al相层。

二次渗铝之后形成的Fe-Al层厚度和基材种类，热扩散条件以及之前热浸镀铝后的表面涂层结构和厚度有关。通过本方案中提供的Fe基材制成的圆环链通过上述方法形成的Fe-Al层厚度为30-160μm。整体厚度比不加保护的制备方法，增厚超过30％-50％。

104、淬火及回火：采用工频加热方式，将圆环链温度增加至Fe基体相变温度，然后水冷淬火，400℃低温回火。

实施例1：

在本实施例中，提供的适用于高温空气环境下，应用于圆环链渗铝钢的材料保护及快速热扩散处理方法如下：

采用热浸镀的工艺方法，将23MnNiMoCr54材质圆环链条浸入730℃热浸镀铝炉中3min。如图2所示，为本实施例中的圆环链热浸镀铝后的圆环链条截面形貌，自表面依次由外到内形成铝层18μm及铁铝层10μm。铁铝层外层为Fe₂Al₅相，中间层为FeAl₃相，内层为Fe₃Al相。

配制质量分数35％的硅酸钠溶液，添加粒径为800目的二氧化硅粉末，按质量比例1：2.7混合，形成保护浆。将圆环链侵入保护浆中，停留2min，确保表面挂上保护浆后捞出，浆层厚度约5mm。圆环链捞出后，悬挂晒干后待处理。

将做好保护的圆环链条放置在高温扩散炉内，920℃下进行热扩散，扩散时间为90min。如图3所示，为该热浸镀铝后的圆环链进行热扩散处理后的截面形貌，原外层铝层消失，内层铁铝层厚度为83μm。铁铝层外层为Fe-Al相，内层为Fe₃Al相。

继续将温度增加至23MnNiMoCr54的相变温度980℃，然后水冷淬火并400℃低温回火。

采用上述方法获得的渗铝钢圆环链，经试验证明，表面硬度达到Hv1100，较常规热扩散处理的圆环链，耐磨损及抗疲劳性能提高1-2倍，使用寿命提高2倍以上。

实施例2：

在本实施例中，提供的适用于高温空气环境下，应用于圆环链渗铝钢的材料保护及快速热扩散处理方法如下：

采用热浸镀的工艺方法，将25MnV材质圆环链条浸入780℃热浸镀铝炉中10min。热浸镀铝后的圆环链条自表面依次由外到内形成铝层70μm及铁铝层50μm。铁铝层外层为Fe₂Al₅相，中间层为FeAl₃相，内层为Fe₃Al相。

配制质量分数15％的硅酸钠溶液，添加粒径为1000目的二氧化硅粉末，按质量比例1：3.7混合，形成保护浆。将圆环链侵入保护浆中，停留2min，确保表面挂上保护浆后捞出，浆层厚度约5mm。圆环链捞出后，悬挂晒干后待处理。

将做好保护的圆环链条放置在高温扩散炉内，850℃下进行热扩散，扩散时间为120min。热扩散处理后的圆环链条，原外层铝层消失，内层铁铝层厚度为150μm。铁铝层外层为FeAl相，内层为Fe₃Al相。

继续将温度增加至相变温度920℃，然后急速冷却淬火并低温400℃回火。

采用上述方法获得的渗铝钢圆环链，经试验证明，表面硬度达到Hv900，耐磨损和抗疲劳性能提高1-2倍。较常规热扩散处理的圆环链，具有更好的耐磨损及抗疲劳性能，使用寿命提高2倍以上。

本发明提供的圆环链渗铝方法主要包括两个步骤，第一为对圆环链进行热浸镀铝，第二是在保护浆的保护下对热浸镀铝后的圆环链进一步进行热扩散处理，使得包裹在圆环链表面的铝层中的铝原子在高温下快速进入圆环链Fe基体中，形成Fe-Al金属间化合物层，进而提高圆环链表面的综合性能。该快速热扩散方法:可以保障热浸镀铝表面铝层不升华蒸发的条件下，长时间的维持在850～950℃下进行热扩散，有效的提高了扩散速度。

表面涂覆的保护浆，Al层被保护浆封住，无法升华蒸发，使得其可以在高温下形成与Fe原子的互相扩散，形成超厚Fe-Al层。可以极大的降低扩散过程中的Al层的升华蒸发，使得热浸镀铝表面的铝层可以最大程度的扩散到钢基材中，形成较常规方法提高至少30-50％以上的超厚渗铝层，保证基材的耐磨性。

扩散的过程中，将原先的脆性层Fe₂Al₅相转变为非脆性的Fe-Al层，有效降低了使用过程中热疲劳裂纹的产生，提高了圆环链的使用寿命2-3倍。

可实现在非真空条件下的热扩散处理，极大的提高了大规模的工业化生产效益，具有重要的工程应用价值。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (9)

1.一种圆环链的渗铝方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、对圆环链进行热浸镀铝，其表面从外到内依次形成铝层和铁铝金属间化合物层；

步骤二、热扩散保护：将质量分数5-35％的硅酸钠溶液与二氧化硅粉末混合，制成保护浆，将表面形成热浸镀铝层的圆环链浸入所述保护浆中，待其表面挂上一层保护浆膜层后，取出晾干；

步骤三、热扩散处理：将挂上所述保护浆膜层并晾干的圆环链置于高温扩散炉内，750-950℃下热扩散40～180min，形成Fe-Al层，所述Fe-Al层由外到内依次为FeAl相层和Fe₃Al相层；

步骤四、淬火及回火：采用工频加热方式，将圆环链温度增加至Fe基体相变温度，然后水冷淬火，400℃低温回火。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，

所述热浸镀铝具体包括：将Fe基体制成的圆环链条浸入700～780℃热浸镀铝炉中2～10min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，

所述铝层厚度为10-160μm，所述铁铝金属间化合物层厚度为10-150μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，

形成的所述铁铝金属间化合物层由外到内依次为：Fe₂Al₅相层，FeAl₃相层和Fe₃Al相层。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，

所述硅酸钠溶液与二氧化硅粉末的质量比为1:2-1:5。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，

所述二氧化硅的粒度为600-1500目。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，

将圆环链浸入所述保护浆中，缓慢摇动所述圆环链并持续20s-180s，待圆环链表面均匀挂上保护浆膜层后捞出。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，

形成的所述保护浆膜层厚度为1-6mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，

所述Fe-Al层厚度为30-160μm。