专利名称：一种基于真空蒸镀方法的铝铁合金化的工艺方法
技术领域：
本发明涉及纯铝表面铝铁合金化工艺方法，属高纯铝表面合金化技术领域。
背景技术：
目前，金属表面合金化按实现手段可分类如下I，改变金属表面的合金成分。主要有热扩渗、渗镀等；2，金属表面覆盖技术。主要有精密表面冶金(离子冶金)，涂层表面冶金，薄膜表面冶金等；3，改善金属表面的金相组织，使表层组织强化，包括感应加热淬火、电子束、激光等高能量密度的表面处理。铝和铝合金硬度较低，不宜制造耐磨零件，这大大的限制了它的应用范围，因此，必须采用表面强化技术，以提高表面硬度，增强耐磨性。铝和铝合金薄膜的制备，大致可分为两大类。一类是非水电解质中的电镀法，如利用有机溶剂、有机熔盐和无机熔盐体系可进行纯铝和铝合金薄膜的电沉积；另一类是物理气相沉积法，如真空蒸镀、磁控溅射等。与电镀法相比，由于真空蒸镀法能在金属、半导体、绝缘体甚至塑料、纸张等表面沉积出金属和合金薄膜，加之薄膜的纯度高、污染程度小等优点，于是在工业应用中的大多数铝和铝合金薄膜都通常采用真空蒸镀法进行制备。工业纯铝具有铝的一般特点，密度小，导电、导热性能好，抗腐蚀性能好，塑性加工性能好，可加工成板、带、箔和挤压制品等，可进行气焊、氩弧焊、点焊。但却因为表层硬度、耐磨性差等因素限制了它的使用。工业纯铝实质上可以看作是铁、硅含量很低的铝一铁一 硅系合金。在杂质相中除了有针状硬脆的Al3Fe和块状硬脆的硅质点外，还能形成两个三元相，当Fe > Si时，形成a (Fe2SiAl8)相；当Si > Fe时，形成β (FeSiAl5)相。两相都是脆性化合物，对塑性危害很大。为了增加纯铝表层的硬度和耐磨性，我们可以在纯铝表面蒸镀一层铁铝合金膜层，由于Al3Fe等金属间化合物相在铝铁合金微观组织中的存在，可以使铝铁合金的表层具有更高的硬度，更好的耐热、耐磨等优良的力学性能，并且附有铝铁合金膜层的纯铝依旧保持了铝质量轻、韧性好易加工的特点。而且，铝、铁两种金属在地壳中蕴藏量极大，分布很广，是工业中普遍使用的原材料，价格较低，因此发展铝铁合金膜层有着广泛的应用和诱人的前景。可是由于铁在铝中的固溶度很低，一旦超过固溶极限便在铸造铝合金中与铝及其它合金元素化合形成质脆的针状或片状相，严重割裂基体，成为应力集中源，大大降低铝合金的力学性能。据有关资料报导，在铝合金中的铁量从O. 25%增至O. 6%时，其极限强度从370 395 MPa降至260 285 MPa，伸长率从12% 13%降至3% 4% ;当铁含量超过1%时，冲击强度也会大大降低。此外，粗大的针状铁相在凝固过程的早期形成，阻碍了液体金属在补缩通道的流动，造成铸造缺陷。由此可见，铁的存在会使铝合金的力学性能大幅度下降。但是，铝铁合金膜层的研究必须侧重于增大Fe的含量，以提高其硬度及耐磨、耐热性能。尽管目前对于铝铁合金及膜层的研究已经取得了很大进展，使得铝铁合金在某些方面已经充分发挥其有利作用，并在生产中已得到应用。但是，采用的快速凝固、离心铸造等方法，其制备工艺复杂、设备昂贵、制品尺寸有限，在工业应用上受到一定限制。因此，仍有必要深入研究制造铝铁合金的方法。20世纪初出现的热喷涂工艺，经过一个世纪的发展，已经广泛地应用于各个领域，国内外也有人把铁铝合金制成粉末，然后用热喷涂方法进行加工，在结构材料表面形成铁铝合金涂层使工件能够应用于高温腐蚀环境中。本发明通过一种基于真空蒸镀的方法实现纯铝试样的表面铝铁合金化，属一种新型的高纯铝表面合金化技术领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种纯铝表面铝铁合金化的工艺方法。本发明是一种基于真空蒸镀方法的铝铁合金化的工艺方法，其特征在于具有以下的过程和步骤 a.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
b.将纯铝基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为32(T30 torr，纯铝基体温度为40°C，蒸镀温度为90(Tl000°C ;镀层厚度为I μ πΓ Ο μ m ;镀层Fe含量为10% 30% ；
c.将覆盖招铁合金层的钢板置于氢气气氛炉内；在氢气气氛下升温速率控制在10-200C /min升温至200-600°C，保温时间为4h，随炉冷却，最终得到铝铁合金镀层。本发明的优点是工艺简单易行。通过调整蒸发电流和沉积时间，在不同的蒸镀速率下制备出不同厚度的Al-Fe合金薄膜。在氢气气氛下，高活性铁原子利用还原时候高温环境均匀的渗入纯铝试样表面；同时可以控制纳米层厚度来达到控制表面铁含量的目的，极大的提高工业纯铝表面硬度及其耐磨性能。
具体实施例方式现将本发明的具体实施例叙述如下
实施例一
1.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
2.将基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为20 torr，基片温度为40°C，蒸镀温度为9500C ;最终表面覆盖层厚度为I. 8 μ m，其中Fe含量为10%。3.将覆盖微米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至200°C，保温时间为4h，随炉冷却。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过耐磨试验测其耐磨性。实施例二
I.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
2.将基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99. 99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为20 torr，基片温度为40°C，蒸镀温度为9500C ;最终表面覆盖层厚度为3. I μ m，其中Fe含量为10%。3.将覆盖微米层的钢板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至200°C，保温时间为4h，随炉冷却。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过耐磨试验测其耐磨性。实施例三
1.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
2.将基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为25 torr，基片温度为40°C，蒸镀温度为IOOO0C ;最终表面覆盖层厚度为4. 5 μ m，其中Fe含量为20%。3.将覆盖微米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至400°C，保温时间为4h，随炉冷却。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过耐磨试验测其耐磨性。 实施例四
1.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
2.将基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为20 torr，基片温度为40°C，蒸镀温度为9500C ;最终表面覆盖层厚度为4. 7 μ m，其中Fe含量为20%。3.将覆盖微米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至600°C，保温时间为4h，随炉冷却。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过耐磨试验测其耐磨性。实施例五
1.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
2.将基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为30 torr，基片温度为40°C，蒸镀温度为9500C ;最终表面覆盖层厚度为4. 3 μ m，其中Fe含量为30%。3.将覆盖微米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至600°C，保温时间为4h，随炉冷却。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过耐磨试验测其耐磨性。实施例六
1.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理；
2.将基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程。镀膜时，本底真空度为20 torr，基片温度为40°C，蒸镀温度为IOOO0C ;最终表面覆盖层厚度为7. 8 μ m，其中Fe含量为30%。3.将覆盖微米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至400°C，保温时间为4h，随炉冷却。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过耐磨试验测其耐磨性。然后将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例所的样品的韦氏硬度以及塔菲尔测试的比较见下表I。
权利要求
1. 一种基于真空蒸镀方法的铝铁合金化的工艺方法，其特征在于具有以下的过程和步骤 a.首先将纯铝试样表面经砂纸与金刚砂依次打磨、抛光、水洗、干燥等处理； b.将纯铝基体试样放入真空镀膜仪中，蒸发源采用高纯铁片(99.99%)，并经碱洗、水洗、丙酮洗、干燥等预处理过程；镀膜时，本底真空度为2(T30 torr，纯铝基体温度为40°C，蒸镀温度为90(Tl000°C ;镀层厚度为I μ πΓ Ο μ m ;镀层Fe含量为10% 30% ； c.将覆盖铝铁镀层的铝板置于氢气气氛炉内；在氢气气氛下升温速率控制在10-200C /min升温至200 - 600°C，保温时间为4h，随炉冷却，最终得到铝铁合金镀层。
全文摘要
本发明涉及一种基于蒸镀方法的铝铁合金化的工艺方法，属于高纯铝表面合金化技术领域。本发明是通过真空镀膜仪中，将高纯铁(99.99%)蒸镀到纯铝基体表面，利用全氢保护气氛下高温环境均匀的渗入到铝基体表面，使得表面形成铝铁合金膜层，从而达到通过简单的工艺提高铝块表面硬度和耐磨性的目的。经过测试，处理后的试样在硬度和耐磨性方面均有大幅度提高。
文档编号C23C14/16GK102864415SQ20121036632
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者钟庆东, 李珂, 周琼宇, 刘慧娟, 郁利彬 申请人:上海大学