CN1323189C

CN1323189C - 一种在钢铁表面制备铁铝金属间化合物涂层及热处理方法

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Publication number: CN1323189C
Application number: CNB2004100207588A
Authority: CN
Inventors: 李国喜; 郑毅然; 李友; 单玉桥; 单连中
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: CN1584101A

Abstract

本发明涉及一种钢铁表面制备铁铝金属间化合物涂层及热处理方法，按如下步骤进行，(1)清除工件表面的油污，锈层；(2)将表面洁净的工件通过助渗剂溶液处理；(3)将表面附着有助溶剂固态盐类的工件浸入熔融铝合金熔体中形成铁铝化合物层；(4)通过热扩散处理调整铁铝化合物层的组成，组织结构，同时完成基体材料的最终热处理，以获得要求的强度；本发明要点是助渗剂是由20～40%重量的NaCl、20～40%重量的KCl、10～40%重量的MnCl₂和10～20%重量的CeCl₃组成，铁铝化合物涂层厚度可达0.4～0.6mm，其结果是铁铝化合物层无不连续点，致密无杂质，与基体界面结合力好，涂层使用寿命长，不产生开裂或脱落。

Description

一种在钢铁表面制备铁铝金属间化合物涂层及热处理方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料表面改性处理，尤其是涉及在碳钢、合金钢、不锈钢等结构件表面制备铁铝金属间化合物涂层的方法。

背景技术

铁铝金属间化合物(Iron Aluminide，简称铁铝化合物)，具有优异的抗高温氧化和耐热腐蚀性能，而且密度低、比强度高、成本低廉，因此具有作为高温结构材料的很多性能优势。从20世纪30年代起，它就受到材料学界的关注。然而，半个多世纪以来这种材料并未批量投入应用，其主要障碍有：(1)严重的室温脆性，常温下用普通方法制备的铁铝化合物的延伸率低于4％，冲击值低于10J/cm²；(2)当温度超过600℃时，化合物的强度和抗蠕变性能陡然下降，限制了它作为高温结构材料的应用范围。进入80年代以后，由于在克服Ni₃Al的室温脆性上取得了重大突破，各国材料学界在铁铝化合物的研究上都加大了投入，并取得了长足进展，发现通过添加稀土元素和铬元素的复合合金化，可显著提高其室温塑性。通过Mo、W、Nb等合金化和加入Al₂O₃、TiC、TiB₂等颗粒相，能够进一步提高其高温力学性能，使铁铝化合物已逐步进入实用化阶段。但是由于铁和铝的熔点相差约800℃，密度也不一样，金属与坩埚反应强烈，这就给熔炼带来了困难，而且硬度高，加工困难，批量生产这类零件工效低、成本高，因而难以使这类材料作为整体材料在工业上大面积推广应用。

然而，在铁基材料表面施加铁铝化合物涂层，即能避开铁铝化合物熔炼和加工成型困难以及高温强度下降的缺点，又能充分发挥其抗高温硫化、氧化等优异的性能，可使其在工业上获得大量应用。目前已出现多种方法，如粉末包埋渗铝、热浸渗铝、喷涂(料浆)扩散渗铝、自蔓延高温合成、激光表面熔覆等，其中只有粉末包埋渗铝和热浸渗铝实现了工业生产。

粉末包埋渗铝法是将钢制零件用粉末状的渗铝剂包埋后装入密封箱中，然后加热到800～1050℃保温2～8小时，将铝原子渗入钢铁件表面，从而形成0.1～0.3mm的铁铝化合物涂层，最后出炉随箱空冷至室温。其优点是设备简单，操作方便，特别适合于机械零部件的处理。缺点是成本高，生产效率低，不适合作为结构材料大批量生产的方法。

热浸渗铝法是将钢铁浸入熔融铝合金中，先在钢铁表面形成由铁铝化合物层和化合物层上附着铝合金层两者组成的复合层，再经扩散处理，将表面铝合金层全部转变为化合物层。热浸渗铝法在各种方法中成本最低。目前国内存在以下2种热浸渗铝技术：即一般热处理手册中给出的锌与盐酸反应产物作助渗剂的方法(简称氯化锌法)和用铬酐水溶液作助渗剂的方法(简称钝化法)。

氯化锌法是用每吨浓度33％盐酸中加入4～5千克Zn反应生成的ZnCl₂和剩余盐酸组成的水溶液作为助镀剂，钢件在助镀剂中浸渍4～5分钟，助镀后在200～250℃温度下干燥，接着浸入780～800℃的铝液中10～30分钟，然后在850～1000℃温度下扩散处理4～6小时，最后随炉冷却到600℃以下出炉空冷，可获得0.3～0.4mm厚的涂层。该法热浸渗铝涂层因助镀剂效果差总有小的漏渗点，虽然在高温氧化场合应用影响不大，但不适合硫化物腐蚀情况。

钝化法是将钢件在1～3％铬酐水溶液(或在其中加入少量高锰酸钾和亚销酸钠)助渗剂中处理4～5分钟，提出水冲洗(产生六价铬污染)，接着在100～120℃下干燥，然后浸入730～760℃铝液5～30分钟，之后在850～1000℃温度下扩散处理3～5小时，最后随炉冷却到600℃以下出炉空冷，可获得0.1～0.3mm厚的涂层。该法由于钝化处理不易控制，导致每道工序的要求都十分严格，工艺条件极窄，对工业生产而言实在难以做到一致，产品废品率高，同批产品质量不一，应用中时常出现铝化物涂层脱落等质量问题。而且由于水洗时产生六价铬污染，从环保角度而言将会被淘汰。

在上述铝化物涂层工业生产方法中，都存在对基体钢材退火使强度下降的问题，不能用于调质钢。而渗铝后再进行热处理会使涂层产生深入达基体的裂纹，导致使用时过早脱落，造成使用寿命短。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足之处，提供一种新的容易实施的铁铝化合物涂层方法，达到提高铝化物涂层的厚度，提高室温塑性，延长其使用寿命。

实现本发明目的的技术方案是按如下步骤进行：

1)采用除油剂清除工件表面的油污，再用喷丸除锈，然后再浸入10％重量的稀盐酸溶液中浸泡5分钟；

2)通过助渗剂水溶液处理；

3)将表面附着有助渗剂固态盐类的工件浸入熔融铝合金熔体中，熔体温度为760～850℃，保持时间为5～30分钟形成铁铝化合物层；

4)加热温度为850～1050℃下通过热扩散处理，之后再经冷却，其要点是本发明研制出一种助渗剂是由20～40％重量氯化钠NaCl、20～40％重量的氯化钾KCl、10～40％重量的氯化锰MnCl₂和10～20％重量的氯化铈CeCl₃组成。工件是在浓度为15～45％重量，温度为50～70℃的助渗剂水溶液中处理。这种助渗剂解决了渗铝涂层出现漏渗点问题；另外本发明选用的铝合金熔体是由92～98％重量的铝、0～3％重量的铬、0.1～0.5％重量的铈及其它杂质组成，有利于提高铝化合物涂层的室温塑性。

上述除油气采用常规化学除油，即采用市售的商品除油剂。工件表面油污较少，不影响除锈时，此工序可省略。

助渗剂处理后的工件立即浸入熔融铝合金熔体中，最终可在工件表面形成0.4～0.6mm的铁铝化合物层。

另外，根据工件的性能要求和使用场合，需要进行不同的热扩散处理，热扩散处理加热温度为850～1050℃，具体取决于基体材料的种类。处理后的工件冷却可采用炉冷、空冷、油冷和水冷。通过热扩散处理调整铁铝化合物层的组成，组织结构，同时完成基体材料的最终热处理，以获得要求的强度。

与现有技术相比，本发明有如下的优点和显著的效益：

(1)由于本发明针对现有技术存在的问题，研究出一种由氯化钠、氯化钾、氯化锰和氯化铈组成的助参剂溶液，使所得铁铝化合物层无不连续点，致密无夹杂，与基体界面结合好，解决了已有技术中出现漏渗渗点问题；

(2)本发明对铝合金熔体的组成也进行了改进，选用了以铝为主要成分，同时加入少量的铬、铈及其艺一些不可避免杂质组成，极大地提高了铝化合物涂层的室温塑性；

(3)鉴于上述原因，再结合工件在浸入铝合金熔体中的优选工艺条件，使其工件表面形成较厚的铁铝化合物层，其使用寿命长，不产生开裂或脱落。

铁铝化合物涂层厚，是本发明一大重要突破。目前，铝化物涂层的使用寿命都不十分理想，其表现为一是使用过程中涂层中铝原子不断向基体扩散，导致表面铝浓度低而失效，二是涂层在使用中脱落。第一个现象产生的原因是涂层厚度不够，而第二个现象产生的原因长期以来人们一直认为表面铝浓度高涂层易产生脱落，实际上这只是表象，真正的原因还是涂层厚度不足所致，因为铝化物涂层的膨胀系数都大于基体的，都处于拉应力状态，只要使用过程中冷却速度快，自然在表面产生裂纹，一旦裂纹到达基体，就会产生内氧化而使涂层脱落，因此，获得厚的涂层是延长铝化物涂层使用寿命的关键；

(4)将铁铝化合物涂层处理与基体热处理相结合，保持基体材料原有的强度，涂层在热处理时不会开裂或脱落。

具体实施方式

例1：

20号碳钢管，规格Φ57×2600×3.5mm。喷砂后在10％盐酸中除锈5分钟，水洗。浸入浓度为15％重量的助渗剂水溶液中，溶液组成(重量百分比)是：20％NaCl+20％KCl+40％MnCl₂+20％CeCl₃，60℃下处理2分钟，淋干。浸入760℃熔融铝铁合金，其组成(重量百分比)为98％Al+2％Fe杂质中保温10分钟，提出直接进入930℃的扩散炉中保温2小时，最后提出在空气中自然冷却，即可获得厚度0.5mm的Fe-Al涂层。用于在燃烧炉空气预热器中代替1Cr18Ni9Ti不锈钢于850℃下使用。

例2：

N80油管，规格Φ57×950×3.5mm。喷砂后在10％盐酸中除锈5分钟，水洗。浸入浓度为25％重量的助渗剂水溶液中，溶液组成(重量百分比)是：30％NaCl+30％KCl+30％MnCl₂+10％CeCl₃，50℃下处理2分钟，淋干。浸入800℃熔融铝铁合金中，其组成(重量百分比)为94％Al+1.5％Cr+0.1％Ce+杂质，保温20分钟，提出直接进入850℃的扩散炉中保温1小时，最后提出在水中冷却，经600℃回火，即可获得厚度0.45mm的Fe-Al涂层。用于含硫油气田做井管使用。

例3：

1Cr18Ni9Ti不锈钢管，规格Φ57×2980×3.5mm。喷砂后在10％盐酸中除锈5分钟，水洗。浸入浓度为35％重量的助渗剂水溶液中，溶液组成(重量百分比)是：30％NaCl+35％KCl+20％MnCl₂+15％CeCl₃，在70℃下处理3分钟。然后浸入850℃的铝合金熔体中，其组成(重量百分比)为92％Al+3％Cr+0.3％Ce+杂质，保温6分钟，提出在1050℃的加热炉中处理0.5小时，最后提出在空气中自然冷却，即可获得厚度0.4mm的铝化物涂层。用于1000℃温度下使用。

例4：

Q235钢板规格2000×750×30mm。喷砂后在10％盐酸中除锈5分钟，水洗。浸入浓度为45％重量的助渗剂水溶液中，溶液组成(重量百分比)是：40％NaCl+40％KCl+10％MnCl₂+10％CeCl₃，在70℃下处理3分钟。然后浸入800℃的铝合金熔体中，其组成(重量百分比)为96％Al+0.5％Ce+杂质，保温30分钟，提出在950℃的加热炉中处理3小时，最后提出在空气中自然冷却，即可获得厚度0.6mm的铝化物涂层。用于1000℃温度以下做加热炉底板使用。

Claims

1、一种在钢铁表面制备铁铝金属间化合物涂层及热处理方法，按如下步骤进行：

2)再通过助渗剂水溶液处理；

3)将表面附着有助渗剂固态盐类的工件浸入熔融铝合金熔体中，熔体温度为760～850℃，保持时间为5～30分钟形成铁铝化合物涂层；

4)在加热温度为850～1050℃下通过热扩散处理，之后再经冷却，其特征在于：所述的助渗剂是由20～40％重量的NaCl、20～40％重量的KCl、10～40％重量的MnCl₂和10～20％重量的CeCl₃组成，工件是在浓度为15～45％重量，温度为50～70℃的助渗剂水溶液中处理；所选用的铝合金熔体由92～98％重量的铝、0～3％重量的铬、0.1～0.5％重量的铈及其它杂质组成。

2、按照权利要求1所述的一种在钢铁表面制备铁铝金属间化合物涂层及热处理方法，其特征在于工件浸入熔融铝合金熔体后形成铁铝化合物涂层厚度为0.4～0.6mm。