一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法，属于表面工程领域。 二、
【背景技术】：
[0002] 渗铝是一种表面热处理技术，通过物理或化学方法在基体表面形成一层具有抗高 温氧化性、耐酸碱腐蚀等优良性能的致密薄膜，渗铝钢被大量使用在一些受压部件、高温氧 化环境和一些含有硫或硫化物的环境中，如石油、电力、交通、化工、冶金和航空航天等领 域。
[0003] 渗铝是一种原子扩散过程，受温度的影响很大，为得到足够的渗层厚度和提高渗 速往往需要很高的温度。自上世纪30年代，国内外已经开始研宄渗铝工艺，已开发料浆法、 热浸法、包埋法、热喷涂、物理气相沉淀、化学气相沉淀等制备渗铝层薄膜的工艺，但是这些 工艺大都需要很高的温度（950°C~IKKTC )，渗铝过程中高温使基体完全奥氏体化，经退 火后会集体组织发生重结晶，严重影响钢件机械性能；另外，生成的渗铝层在高温环境下生 成脆硬的氧化铝膜，在载荷作用选容易开裂，缩短工件寿命。渗层成分主要以Fe 2Al5、FeAl3 脆性相为主，与基体结合力差，伴有裂纹容易脱落，粘附严重，表面质量差，对后续处理造成 很大困难。渗铝是活性Al原子向金属内部扩散的过程，由于基体组织晶界数量少，可提供 Al原子进入内部的通道少，Al原子数量达到一定数量后会饱和，阻碍Al向基体内部扩散， 导致获得的渗层厚度很浅。实践证明，对钢件进行机械研磨纳米化处理，在表面形成微纳米 晶以提高晶界体积分数，获得更多的铝原子扩散通道，增加形核率和减少反应时间，降低 原子的扩散能。同时，众多研宄结果表明，稀土元素不仅具有显著的催渗效果，降低渗铝温 度，缩短渗铝时间，而且显著改善渗铝层性能，增加渗层厚度与硬度，提高渗层与基体结合 强度等，可以实现在低温环境下渗铝。 三、
【发明内容】
：
[0004] 本发明提供了一种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法；通过机械研磨使材料基 体表面获得均匀的纳米晶，然后利用稀土催渗固体渗铝法对钢件进行低温渗铝，形成高性 能的渗铝层。本发明将钢件与不同粒径、数量的研磨球共同放入振动磨中，振动研磨，不同 粒径研磨球对钢件表面冲击能量不同，易于实现钢件表面纳米化处理；本发明主要目的是 改善传统渗铝工艺过程中渗铝温度高、保温时间长，获得的渗铝层不致密，使用效果差等问 题，通过此方法获得工件具有较高的抗高温氧化性及耐腐蚀性能。
[0005] -种钢件表面纳米化低温渗铝处理方法，包括如下步骤：
[0006] 1、将钢件使用体积分数75%的酒精超声清洗3〇111；[11~601]1；[11;超声清洗后使用清 水冲洗干净；
[0007] 2、将步骤1)中清洗干净的钢件200°C~350°C烘烤至表面干燥无油；再将烘烤后 的钢件放入质量分数为20%~30%的盐酸溶液中，浸泡5~IOmin ;将盐酸浸泡后的钢件 用流动清水冲洗2~8min，吹干表面水渍。
[0008] 3、机械研磨：
[0009] 根据钢件尺寸，合理级配氧化锆研磨球的直径与数量，将氧化锆研磨球与步骤2) 吹干的钢件振动研磨4h~6h，待冷却后取出并用刷子将钢件表面的粉末刷掉。
[0010] 4.电阻加热炉内低温渗铝：
[0011] 将步骤3)研磨振动后的钢件和渗铝剂置于渗箱，钢件之间、钢件与渗箱侧壁之间 间距均不低于20mm ;装箱完毕后，盖上不锈钢盖，渗箱与不锈钢盖间的缝隙用水玻璃泥进 行密封；将渗箱置于空气中，待水玻璃泥固化。而后将渗箱500°C~700°C低温渗铝4h~ 6h，炉冷至室温，开箱取样，得到表面纳米化低温渗铝处理后的钢件。
[0012] 所述渗铝剂组分按质量比为：20%~25% Al粉（150~300目），0%~10%铝铁 粉（100~200目），4%~6%氯化稀土，1%~2%氯化按，剩余为填充剂氧化铝粉末，各组 分质量比之和为100%。
[0013] 本发明表面纳米化处理后低温渗铝工艺的优点如下：
[0014] 1.钢件经过纳米化处理后获得纳米晶等轴状的纳米晶特殊结构，使得纳米层具有 高的晶界体积分数，可增加形核率，为原子的扩散提供必要的通道，降低原子的扩散能，同 时，结合稀土元素显著的催渗效果，采用正交试验获得的低温渗铝剂，从而可以实现低温扩 散和缩短反应时间，节省能源。
[0015] 2.表面纳米化将纳米材料的独特性能赋予传统材料，通过对基体表面组织的优化 有效的改善和提高材料的表面性能，如疲劳强度、抗蚀性和耐磨性。
[0016] 3.获得的表面渗铝涂层比较均匀、致密，具有单层结构的铝化物涂层与基体的结 合良好，没有出现显微裂纹，渗层中部是比较窄的过渡区，Fe和Al元素分布均匀。 四、【附图说明】：
[0017] 图1钢件机械研磨表面纳米化处理低温渗铝工艺流程图；
[0018] 图2是316L不锈钢经8h机械研磨形成的纳米化组织形貌图；
[0019] 由图2可以看出，在316L不锈钢表面形成很多凹槽。凹槽的形成是由于钢件与氧 化锆球在撞击过程形成大量的凹坑，无数的凹坑聚集在一起形成图中的凹槽，凹槽处形成 大量组织缺陷（晶界、位错、孔洞、挛晶等），为铝原子渗入基体提供更多通道，同时，由于稀 土原子催渗效果，可以加速原子向基体内部扩散。
[0020] 图3为稀土催渗渗铝剂渗前与渗后的状态比较图；
[0021] 图中a图为稀土催渗渗铝剂渗前状态；b图为稀土催渗渗铝剂渗后状态；
[0022] 图3表明，渗铝剂渗后非常松散，没有粘结，这对于钢件渗后清理，保证表面质量 及渗铝剂的重复应用都具有重要意义。
[0023] 图4是316L不锈钢表面纳米化处理低温渗铝层形貌图；
[0024] 由图4可以看出利用本发明制备的渗铝层比较致密均勾，无孔隙及裂纹。
[0025] 图5是40Cr钢表面纳米化处理后低温渗铝组织形貌图；
[0026] 由图5可以看出渗层组织均匀致密，厚度可达60μπι左右，渗铝层硬度达 7〇〇HV a98N，与未纳米化试样渗铝层相比硬度提高了 1倍以上，同时也显示出渗铝层/过渡区 界面经表面纳米化处理后参差不齐的凹槽形貌。
[0027] 图6是40Cr钢件不同处理后（本发明处理、未渗铝处理）600°C高温氧化时间与增 重关系图；
[0028] 由图6可以看出，40Cr钢件经本发明处理后，表面形成渗铝层在氧化过程中形成 致密氧化膜，高温氧化20h后，增重为2mg/cm 2,是未处理试样氧化增重的6倍以上，说明本 发明处理的钢件具有显著的抗高温氧化性能。
[0029] 图7是不同处理工艺对40Cr钢件耐腐蚀性能的影响。
[0030] 由图7看出，40Cr钢件经本发明渗铝处理后，在H2S腐蚀介质内失重随时间变化关 系曲线，与未渗铝钢件相比，本发明形成的渗铝层抗腐蚀能力大大增强。
[0031] 图8是316L不锈钢试样不同处理方式（本发明处理、未处理）腐蚀极化曲线图；
[0032] 由图8可以看出经本发明处理的316L不锈钢试样电化学腐蚀对流密度降低了 21. 7%，进一步证明了本工艺形成的渗铝层具有较强的抗腐蚀能力。 五、【具体实施方式】：
[0033] 实施例1 :
[0034] 本实施例以316L不锈钢钢件为例，进行本发明所指的表面纳米化处理后低温渗 铝，步骤如下：
[0035] 1、超声清洗：在超声清洗池内加入质量分数为75 %的酒精，酒精加入体积占整个 清洗池体积的三分之一；将钢件放入超声池中清洗30min~60min ;超声清洗后使用清水冲 洗干净至表面光亮并形成连续的水膜；
[0036] 2、干燥除油：将冲洗干净的钢件放在干燥箱内，温度设定在200°C -350°C烘烤至 表面干燥无油为止；再将烘烤后的钢件放入质量分数为20 %~30 %的盐酸溶液中，浸泡 5~IOmin ;将盐酸浸泡后的钢件用流动清水冲洗2min~8min，用吸水纸擦干表面水渍。
[0037] 3、机械研磨：
[0038] 本实施例使用的钢件尺寸约为400mm2,将100个Φ 1mm、50个Φ 3mm、50个Φ 5mm 和30个Φ IOmm的氧化锆研磨球与步骤2)吹干的钢件放入机械研磨振动机中研磨振动6h 后，表面微观形貌如图2所示。本发明根据钢件尺寸大小，确定不同粒径、数量、材质等的研 磨球，一般钢件尺寸越大，研磨球数量越多。
[0039] 4、电阻加热炉内低温渗铝：
[0040] 将步骤3)研磨振动后的钢件与渗铝剂置于渗箱，钢件之间、钢件与渗箱侧壁之间 间距均不低于20mm ;同时渗箱内还需放置2~3个与钢件相同材质的q>l〇mmx3mm的金相 检测试样；装箱完毕后