一种在低氧压下制备抗氧化薄膜的方法与流程

本发明属于表面涂层涂覆技术领域，特指Fe基合金在低氧压下与活性气体反应生成具有抗氧化保护性的氧化薄膜的制备方法。

背景技术：

在高温下，钢材和活性气体的反应是一个十分复杂的过程，其中钢板表面的合金元素将发生所谓的选择性氧化。“选择性氧化”是指钢中与氧气亲和力较强的合金元素优先于基体Fe元素生成氧化物的行为。根据Wagner提出的理论，选择性氧化可以分为外氧化和内氧化。外氧化是指扩散至表面的合金元素和氧气发生反应，在表面生成氧化物；而内氧化则是氧气通过扩散到达表面以下的亚表面层，与钢中的一种或数种合金元素发生反应，在亚表面层生成氧化物。钢板选择性氧化受外界的很多因素影响，而露点是影响高强钢选择性氧化的一个十分重要因素。露点是指退火气氛中水蒸气的分压力所对应的饱和温度，露点值的增加意味着气氛中水蒸气和氧压的增加。Perazanovici研究发现Al、Si两种元素在低露点条件下会发生外氧化，在钢板表面生成Al₂O₃，SiO₂。通常可以将氧化膜分为两类：具有抗氧化保护性和不具有抗氧化保护性的氧化膜。其中绝大多数金属能够与活性气体反应生成致密的氧化膜，这种致密的氧化膜可以将氧气和金属隔离开来，阻止了气体和金属直接反应，起到了抗氧化保护作用。

最近几年，氧化物薄膜制备技术得到了飞速发展。总体而言,其制备技术可以分成物理法和化学法两种。物理法包括蒸发法、溅射法等；化学法包括水解-沉淀法、溶胶-凝胶法、液相沉积法、原子层沉积法、化学气相沉积法等。将物理法和化学法进行比较，相对而言物理法制备氧化物薄膜所需能量较多，设备较昂贵，而大多数化学法制备薄膜虽然需要的能量较少，几乎可以制备所有有用的氧化物薄膜，但例如化学气相沉积法需要严格控制实验参数，如气压，温度等，此外化学气相沉积法速度极慢，从而限制了其在某些领域的应用。因此，上述氧化物薄膜涂覆技术不是工序繁琐，就是沉积速度缓慢或这较难得到均匀一致的薄膜，所以开发出一种新型实用的氧化物薄膜涂覆技术来满足生产应用是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有涂覆技术工艺的不足，通过按比例混合Mn和MnO粉末，在密闭加热空间内产生恒定的氧压，使Fe基材料中的Al、Si合金元素外氧化继而在Fe基材料表面生成所需的氧化物薄膜。所述的制备氧化物薄膜的步骤如下：

(1)电弧熔炼Fe基合金后，在1000℃的真空气氛炉中均匀化退火一周，再切成薄片，并依次打磨、抛光、清洗、干燥；

(2)按质量比1：9的比例称取Mn和MnO粉末，混合均匀后压成块状；

(3)先将块状粉末轻放至石英管底部，随后将石英管中部烧凹，避免薄片在放入过程中落至石英管底部，最后放入薄片，将石英管抽成真空状态后，密封起来；

(4)把石英管放入温度为1000℃的箱式炉中保温1-2h，即可生成具有抗氧化保护性的氧化物薄膜。

本发明中本发明的原理是：

Mn和MnO混合粉末在密闭加热的环境中会维持一个低氧压平衡，而根据氧势图可以读出在特定温度下某金属元素和其氧化物两者达到平衡时对应的氧分压。Mn和MnO混合粉末所产生的低氧压大于Al₂O₃、SiO₂等氧化物的分解压，而小于Fe的氧化物的分解压。因此，Fe基材料中的Al，Si会发生外氧化，在基体表面生成致密的氧化膜，而Fe则不会被氧化。

本发明的有益效果：

本发明Fe基合金在低氧压下与活性气体反应生成具有抗氧化保护性的氧化薄膜，操作过程简单，生产成本低。

附图说明

图1为密封后的石英管示意图；

图2为氧势图。

具体实施方式

实施例1：

(1)电弧熔炼Fe-3wt.％Al合金后，在1000℃的真空气氛炉中均匀化退火一周，再切成

薄片，并依次打磨、抛光、清洗、干燥；

(2)按质量比1：9的比例称取Mn和MnO粉末，混合均匀后压成块状；

(3)先将块状粉末轻放至石英管底部，随后将石英管中部烧凹，避免薄片在放入过程中落至石英管底部，最后放入薄片，将石英管抽成真空状态后，密封起来；

(4)把石英管放入温度为1000℃的箱式炉中保温1-2h，即可生成具有抗氧化保护性的Al₂O₃薄膜。

实施例2：

(1)电弧熔炼Fe-3wt.％Si合金后，在1000℃真空气氛炉中均匀化退火一周，再切成薄片，并依次打磨、抛光、清洗、干燥；

(2)按质量比1：9的比例称取Mn和MnO粉末，混合均匀后压成块状；

(3)先将块状粉末轻放至石英管底部，随后将石英管中部烧凹，避免薄片在放入过程中落至石英管底部，最后放入薄片，将石英管抽成真空状态后，密封起来；

(4)把石英管放入温度为1000℃的箱式炉中保温1-2h，即可生成具有抗氧化保护性的SiO₂薄膜。

实施例3：

(1)电弧熔炼Fe-3wt.％Al-3wt.％Si合金后，在1000℃的真空气氛炉中均匀化退火一周，再切成薄片，并依次打磨、抛光、清洗、干燥；

(2)按质量比1：9的比例称取Mn和MnO粉末，混合均匀后压成块状；

(3)先将块状粉末轻放至石英管底部，随后将石英管中部烧凹，避免薄片在放入过程中落至石英管底部，最后放入薄片，将石英管抽成真空状态后，密封起来；

(4)把石英管放入温度为1000℃的箱式炉中保温1-2h，即可生成具有抗氧化保护性的Al₂O₃和SiO₂的混合薄膜。