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粉末包埋渗铝研究动态
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/3/11 10:17:20  

摘要:碳钢经过渗铝处理后获得的渗层具有优良的耐氧化、耐腐蚀性。简要介绍了粉末包埋渗铝具有的优势。论述了粉末渗包埋渗铝的基本原理和新方法。最后,展望了粉末包埋渗铝未来的发展方向。

关键词:耐氧化;耐腐蚀;粉末包埋渗铝

早在19 世纪末期人们就认识到钢材渗铝后会改善钢材的性能,渗铝钢既具有钢的强度又具有铝的特性。在实现铝工业生产后不久,1893 年就出现了第一个钢铁热浸渗铝的专利[1], 1911 年首次出现了固体粉末渗铝法[2],自此以后渗铝工艺得到了不断的发展。目前渗铝钢因具有耐高温氧化、耐硫化腐蚀、耐磨损、易于制造、成本低等特点,已经在石油炼厂、电厂、输油管道和航空发动机等方面得到应用[3-6]。目前应用广泛的的渗铝工艺有: 固体粉末包埋渗铝、热浸镀渗铝、热喷涂渗铝、料浆感应渗铝[7-8]。除此之外还存在化学气相沉积渗铝[9]、物理气相沉积渗铝[10]、熔盐电解渗铝[11]、等离子喷涂渗铝[12]和溶胶-凝胶渗铝[13]等。其中固体粉末渗铝工艺具有渗层质量好、容易获得渗层、设备简单、生产成本低、操作方便、可同时对多个工件进行渗铝等优点而得到广泛应用[9-14]。

1 粉末包埋渗铝工艺的优势

粉末包埋渗铝基本工艺为: 将渗铝工件与渗铝剂装入密封渗箱, 在保护气氛H2或Ar 下加热至900~1100℃,保温4~16h,在工件表面形成铁铝合金层[15-17]。其中渗剂包含供铝剂(纯铝粉或者铝铁合金粉)、惰性填充剂(氧化铝粉末或石墨粉)、催渗剂(卤化物如NH4Cl)[9-18]。

固体粉末包埋渗铝法处理后形成的渗铝层表面往往会存在渗剂颗粒, 比较粗糙。渗层具有两层结构, 外层的合金层铝含量较高, 主要为FeAl、Fe3Al相,内层为铝在铁中的固溶体,铝含量随渗层深度逐渐下降,基体中铝含量则为零[19]。渗剂成分、渗铝温度、保温时间以及基体化学成分都会影响渗铝层的组织和性能[20]。渗剂中铝活性高,形成的合金层的相成分主要是FeAl、Fe3Al 相及少量FeAl3、Fe2Al5相[21];

渗剂中铝活性低、渗铝温度低时形成的合金层主要为Fe2Al5相[22]。不同基体上形成的渗铝层结构相似,渗层厚度不同,渗层形成机理依赖于所使用的基体[19]。

供铝剂为铝粉700℃时,合金层相成分主要是Fe2Al5相,900℃时合金含有Fe2Al5、FeAl2、FeAl 相,供铝剂为Fe2Al5粉时,900℃渗铝时,获得渗层相成分主要是FeAl 相和铝在铁中的固溶体相[23]。由于FeAl3、Fe2Al5相铝含量较高,使渗层变脆呈多孔状,降低了渗铝层的耐氧化性能,而富含FeAl、Fe3Al 相的渗层具有良好的力学性能,形成的氧化膜致密完整,耐氧化性能最佳[24]。

2 粉末包埋渗铝基本原理

在粉末渗铝过程中, 渗剂中的铝原子经催渗剂活化在高温下与基体表面上的铁原子相互扩散形成铁铝合金层。该过程包括相沉积[25]和热扩散两类过程。渗铝过程[26-27]:高温下渗剂中的催渗剂(AlCl3或者NH4Cl)分解与铝原子反应,形成氯化物AlxCly;气态的AlxCly迁移并沉积到试样表面;AlxCly在试样表面发生歧化反应生成活性铝原子和易挥发物质(AlCl3),易挥发物质向外部逃逸;活性铝原子与铁原子接触形成极薄的铁铝合金层即初始渗层; 合金层中的铝原子通过基体中的缺陷和晶粒边界向基体内部扩散;基体中的铁原子通过初始渗层向外部扩散。随着铝原子向内扩散,铁原子向外扩散的进行,渗层厚度增加。而渗层的生长主要受扩散过程控制[28],由扩散定律可知,影响扩散过程的主要因素是温度,但是温度太高会对基体的力学性能产生不利影响。

3 粉末包埋渗铝新方法

为了提高粉末包埋渗铝的质量和效率, 研究工作者在常规渗铝的基础上开发出多种改进工艺,如两段工艺法、改变催渗剂、机械能助渗铝、电场助渗铝和合金共渗等。

3.1 两段工艺法

黄志荣等[29]开发出一种加速粉末渗铝的两段法。渗剂为铝粉、氧化铝粉、氯化铵和少量添加剂,渗铝过程中装有渗剂和试样的渗箱先在780℃保温t1h 然后在升温至1000℃保温2h。采取两段法渗铝,在相同条件下渗铝层厚度增加明显, 渗速提高约60%,通过添加适量的添加剂, 可以实现控制渗铝层相组成[30]。

3.2 催渗剂的研究

催渗剂在渗铝过程中起重要作用。Xiang 等[22]研究不同的催渗剂(AlCl3,AlF3,NaCl 和NaF)对渗铝过程的影响。实验表明,选择AlCl3作催渗剂可以实现700℃以下渗铝, 热力学分析也表明AlCl3作为催渗剂渗铝效果最佳。Xiang 等[31]认为在650℃渗铝采用NH4Cl 作催渗剂无法获得满足使用要求的渗层厚度, 是因为渗铝过程中同时发生着渗层的形成和渗层的溶解两个过程, 只有当渗剂中铝含量较高时渗层才能稳定生长。氟盐虽然活性较氯盐大,但不能作为低温渗铝催渗剂, 其主要原因是氟盐与活性氯原子反应生成固态的AlF3沉积在试样表面,阻止了渗层的持续生长[32]。

研究表明, 在渗剂中添加稀土元素起到提高渗层厚度和质量的作用[33-35]。朱利敏等[33]在渗剂中加入La2O3,指出元素La 起到促进渗铝过程、提高渗层中铝含量、使渗层组织晶粒均匀细化的作用。氧化实验表明: 加入稀土La 后渗层表面形成的氧化膜薄而致密,氧化增重小,提高了渗层的耐氧化性能。纪文文等[35]以40Cr 钢为基体,在渗剂中添加氯化稀土制备渗铝层,指出稀土对粉末渗铝有明显的催渗作用,且含量为4%时催渗效果最佳, 获得的渗层非常均匀,与基体结合牢固不易脱落。陈辉等[36]在渗剂中添加稀土元素,以N80套管钢为基体在540℃保温4 h获得组织连续致密的渗铝层。

3.3 机械能助渗铝

孙希泰等[37]采用自制的小型机械能助渗装置使渗剂粉末冲击试样表面, 将渗铝温度降低至600℃以下,渗铝时间缩短至4 h, 能耗仅为常规渗铝的1/3~1/5,节省能耗提高渗铝效率。孙希泰等[37]认为在常规化学热处理中,空位浓度与温度呈指数关系,高温加热的能耗只有很少用于扩散所需的能量上,而机械能助渗则可以将运动粒子的机械能传给试样表面层的点阵原子,使其激活脱位形成空位,改善原子扩散通道,降低原子扩散移能。

Zhan 等[38]报道了一种新型粉末包埋渗铝工艺,在渗箱中加入直径4 mm 的FeCrAl 球并保持振动,使金属球来回撞击试样表面, 以低碳钢为基体在600℃下处理120 min 渗层厚度达到104 μm,渗层以η-Fe2Al5相为主,为单层结构且致密均匀,球磨过程产生的塑性变形不仅使渗层与基体连接牢固,还改善了渗层表面附近的金属晶粒结构, 抑制了颗粒的生长。Zhan 等[38]认为球磨过程使得试样表面富铝层被破坏,晶粒度改善至微米级或纳米级,大量的晶界和缺陷为铁原子向富铝层扩散提供了通道, 而铝原子向铁基体的扩散则受到基体粗晶粒结构的限制,受晶格控制,扩散速度较慢。

Xiang 等[39]对P92 合金钢进行了650℃以下低温渗铝实验,在相同条件下,喷丸处理后试件的渗层厚度24 μm 大于常规粉末包埋法得到的渗层厚度16μm。该文献指出喷丸处理后,一方面,试样表面晶粒尺寸减小,晶界和晶界密度增加;另一方面,塑性变形使得位错密度增大, 这些因素导致试样表面激活能下降,有利于渗层的生长。

王吉会等[40]采用自制的机械能助渗炉,以Q235钢为基体进行粉末包埋渗铝。结果显示在400~700℃、2~4h 范围内, 渗层厚度随温度升高和渗铝时间延长而增大,700℃或4 h 以上渗层厚度不再变化;渗层的耐蚀性能随渗铝温度升高而提高, 600℃保温3h 获得的渗层耐腐蚀性能最好。

黄敏等[41]通过对试样表面机械研磨处理,实现N80 套管钢在470℃下的渗铝, 获得厚度约为50μm 的渗层, 渗层分布均匀且连续致密。结果表明;表面机械研磨处理可以对粉末渗铝起到助渗作用,增加渗层厚度, 改善渗层结构, 提高渗层的耐腐蚀能力。

3.4 电场助渗铝

Zhou 等[42]以粉末包埋法为基础在渗铝过程中加入直流电场,在温度700℃、电流5A、保温4 h 的条件下在45 钢表面制备出厚度为190μm 的渗层,明显提高了渗层厚度,缩短了保温时间。渗铝45 钢和普通45 钢在850℃下氧化200 h 对比实验表明,渗铝后的45 钢具有良好的耐氧化性。直流电场在渗铝过程中的作用有以下解释[42-43]:①电流的热效应促进渗剂的电离分解,增大了活性铝原子浓度;②电场正负极之间及与周围渗剂间存在温度差,进一步形成活性铝原子的浓度差; ③带正电的活性铝原子在直流电场作用下,向工件表面定向扩散,这些因素使得在电场作用下的扩散速度高于单纯的热扩散速度。闫梦龙等[44]在粉末渗铝过程中将试样置于两电极之间,施加交流电场。以45 钢为基体、电场电流为2A、渗铝温度为500℃、保温4 h 获得厚度为40μm的渗层。结果表明; 粉末渗铝过程中施加适当的交流电场可促进渗铝过程, 并且促渗作用随电流增大而增加。

3.5 合金共渗

刘玉先等[45]在渗铝和渗铬的基础上,以Q235钢为基体、铬与Fe-Al 合金粉为渗剂进行共渗实验。结果表明获得的共渗层组织形态与单一渗铝相似,耐热性和耐腐蚀性优于单一渗铬或渗铝试样。盛长松[46]开发出了一种无需惰性气体保护的铝钼共渗工艺,以低碳钢为基体制备出的共渗层连续、均匀、致密,不存在脆性区。共渗层相成分为含钼的铁铝相AlFe3、AlFe 和Al3Mo 以及铝和钼溶解在铁中形成的α 固溶体。腐蚀实验表明:铝钼共渗钢的耐蚀性能优于304 钢和316L 钢。Shen 等[47]以碳钢为基体采用粉末包埋法制备锌铝共渗层, 获得具有两层结构的共渗层,外层为含有少量锌元素的铁铝合金层,内层为铁锌合金层。氧化实验和腐蚀实验表明:锌铝共渗层比渗铝层具有更好的耐氧化能力, 比渗锌层具有更好的耐氯离子腐蚀能力。

4 结语

粉末包埋渗铝工艺因其设备要求低、操作方便、渗层质量好等特点,得到了快速发展,取得了一系列的研究成果。未来对粉末包埋渗铝的工艺研究应主要集中在两个方面: 一是探索新的方法解决常规粉末包埋渗铝过程中存在的渗铝温度高、时间长、能耗大、效率低的问题;二是在渗铝过程中添加其他金属元素获得共渗层, 提高渗层质量以代替不锈钢和耐热钢,节约生产成本。 

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