一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法，渗剂包括以下重量百分比的组分粉末：铬：12～25％；硅铁合金：5％～20％；钛：1％～5％；活化剂：0.5％～3.5％；碱土金属氧化物：5％～10％；氧化铝：余量；制备方法：首先按比例称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱中；将除油除锈后的待渗工件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100℃～120℃烘干1～2小时；渗箱置入马弗炉中加热到800℃～1250℃保温5～10小时，在合金表面获得致密无孔隙的铬硅涂层。该发明获得的涂层结构均匀致密、无孔隙，具有优异的耐高温、抗氧化、抗渗碳及抑制铁镍元素催化效应等性能。
【专利说明】一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及合金表面涂层制备技术，更具体的说，是一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法。
【【背景技术】】
[0002]众所周知，在一般使用条件下，钢铁材料的失效多源于表面。表面涂层强化技术可以使材料表面的成分、组织、结构发生变化，提高表面性能，不但可以延长材料使用寿命，也可以避免采用高成本的材料。金属表面渗铬(Cr)、渗硅(Si)可以明显提高金属材料的耐蚀性、抗高温氧化、抗渗碳性能，并具有抑制铁镍元素催化效应等作用，目前已得到一定的应用。对于低碳钢，渗铬较容易实现，但对于中高碳钢及高合金钢，随着Cr向炉管合金内部的扩散渗入，在其内部必然形成一定量的碳化物，这将降低Cr扩散速度和数量，影响涂层的质量。并且研究发现，元素Cr在奥氏体组织中的扩散速度明显低于在铁素体中的扩散速度。而工程上常用的HP40、HK40、316等材料在常温及高温下均为奥氏体组织，这类材料的渗铬更为困难。为加快Cr的扩散速度，目前在工艺上采取Cr、Si共渗技术，在渗Cr过程中加入Si元素，Si可降低合金表面局部的C含量，伴随着组织由奥氏体转变为铁素体，有利于Cr的扩散渗入。
[0003]但是，在元素扩散过程中，由于Cr、S1、Fe扩散速度不相同，Si的扩散系数比Fe大，存在原子扩散的柯肯达尔效应。在Cr、Si扩散的同时伴随着空洞的出现，导致涂层内有大量孔隙，涂层不致密，脆性增大，甚至还会引起涂层脱落，严重影响使用性能。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法，获得结合力好，均匀致密、无孔隙的铬硅涂层，涂层制备工艺简单、操作方便、易于实现，适于生产和工业应用。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0006]一种合金表面铬硅共渗渗剂，其包括以下重量百分比的组分粉末:
[0007]铬:12?25%;
[0008]硅铁合金:5%?20%;
[0009]钛:1?5%;
[0010]碱土金属氧化物:5?10% ；
[0011]活化剂:0.5 ?3.5% ;
[0012]氧化铝:余量。
[0013]所述的碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁中的一种或者两种混合物。
[0014]所述的活化剂为氯化铵、氟化钠中的一种或两种混合物。
[0015]所述的组分粉末粒度为150?400目。
[0016]组分钛、氧化镁和氧化钙作为硅元素扩散速度调节剂，避免元素扩散过程产生孔隙。
[0017]一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其具体步骤为:
[0018]步骤(I):按重量百分比称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱；
[0019]步骤(2):将除油除锈后的待渗零件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100°C?120°C烘干I?2小时；
[0020]步骤(3):将烘干后的渗箱置于高温马弗炉中，在850°C?1250°C的温度下进行包埋共渗处理，随炉冷却后取出。
[0021]在所述步骤(I)中氧化铝粉末在使用前经1000°C?1200°C温度煅烧处理2?3小时。
[0022]在所述步骤⑵中渗箱有多个试样时，相邻平行试样之间的距离不小于15mm，工件距离渗剂顶部或底部不小于20mm。
[0023]在所述步骤(3)中，采用两步法加热工艺，首先加热至800°C?950°C保温2?5小时，然后加热至1000°c?1250°C保温3?6小时，升温速度为5°C?10°C /min。
[0024]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
[0025]本发明的渗剂配方创新在于采用钛及碱土金属氧化物氧化镁和/或氧化钙。当共渗反应进行时，Si在Fe中以置换形式形成置换固溶体，活性硅原子向工件内部扩散是以空位机理进行的。Si向内部扩散的同时，还进行着铁原子由内部向外的扩散，因而在工件表层存在着硅-铁的互扩散偶。特别是在扩散前沿，硅的浓度梯度最大。因此，在常规渗铬硅工艺中，硅-铁互扩散区域要发生严重的柯肯达尔效应，导致扩散层中出现微孔。随着渗硅层中出现Y — α相变，产生相变应力，扩散层前沿形成的微小孔更易于聚集长大，出现明显的孔洞。
[0026]本发明渗剂体系中，钛(Ti)元素的存在，一定程度上降低了 Si的扩散速度，使得Fe、Si扩散速度相匹配。同时，在渗剂中添加的氧化镁和氧化钙与Si相互作用，形成钙和镁的硅化物，可使合金表面上的活性硅原子浓度降低，创造渗硅最佳条件。Si的吸附速度低于它向工件表面深处的扩散速度，在局部表层，Si和Fe的互扩散量相近，有效的避免由柯肯达尔效应产生的孔隙，获得致密的涂层组织。
[0027]本发明的涂层制备工艺创新在于采用两步法进行铬硅共渗。第一步温度加热至800°C?950°C，气相中含硅化合物的蒸汽压较高，由于Si和C热力学上强烈的排斥性，Si的渗入将C推向合金表面深处，在工件表面形成C溶解度较低的铁素体层，有利于Cr扩散渗入工件。在随后第二步温度继续升高至1000°C?1250°C，反应气相中含铬化合物的蒸汽压相对升高，反应以Cr元素沉积扩散为主，获得富Cr元素涂层。
[0028]本发明能够获得均匀致密、无孔隙的铬硅涂层，涂层具有优异的耐腐蚀、抗氧化、抗渗碳及抑制铁镍元素催化效应等性能。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0029]图1本发明工艺制备的铬硅共渗涂层表面形貌；
[0030]图2本发明工艺制备的铬硅共渗涂层横截面金相图(无孔隙)；
[0031]图3普通工艺制备的铬硅共渗涂层横截面金相图(有孔隙)。【【具体实施方式】】
[0032]以下提供本发明一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法的【具体实施方式】。
[0033]实施例1
[0034]本实施例中的一种合金表面铬硅共渗渗剂，包括以下重量百分比的组分粉末:铬:20%，硅铁合金:15% ;钛:3% ;活化剂:2% (氯化铵0.5%，氟化钠1.5% );氧化钙:5% ；氧化镁:5% ;氧化铝:余量。上述组分粉末粒度均为150?250目。
[0035]工件材料为Cr25Ni35Nb合金，涂层制备过程如下:
[0036]步骤(I):将氧化铝粉末在1100°C温度下煅烧处理2小时。按重量百分比称取各组分，将其搅拌混合均匀后放入渗箱。
[0037]步骤(2):将工件用碳化硅砂纸打磨至800#，用丙酮清洗并吹干。
[0038]步骤(3):将工件埋入渗剂中并压实，工件距离顶部和底部30mm。然后将渗箱用耐火泥密封，在120°C烘干2小时。
[0039]步骤(4):将烘干后的渗箱置于马弗炉中，首先加热至850°C保温3小时，然后加热至1100°C保温3小时，升温速度为10°C /min。保温结束后随炉冷却后取出。
[0040]通过金相分析和SEM分析，本实施例中得铬硅涂层厚度约为150um，涂层组织均匀致密、无孔隙裂纹等缺陷。
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，其包括以下重量百分比的组分粉末: 铬:12 ?25% ； 硅铁合金:5%?20% ; 钛:1?5% ; 碱土金属氧化物:5?10% ； 活化剂:0.5?3.5% ; 氧化铝:余量。
2.如权利要求1所述的一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，所述的碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁中的一种或者两种混合物。
3.如权利要求1所述的一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，所述的活化剂为氯化铵、氟化钠中的一种或两种混合物。
4.如权利要求1所述的一种合金表面铬硅共渗渗剂，其特征在于，所述的组分粉末粒度为150?400目。
5.一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，其具体步骤为: 步骤(I):按重量百分比称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱； 步骤⑵:将除油除锈后的待渗工件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100°C?120°C烘干I?2小时； 步骤(3):将烘干后的渗箱置于高温马弗炉中，在800°C?1250°C的温度下进行包埋共渗处理，随炉冷却后取出。
6.如权利要求5所述的一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(I)中氧化铝粉末在使用前经1000°c?1200°C温度煅烧处理2?3小时。
7.如权利要求5所述的一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中渗箱有多个工件时，相邻工件之间的距离不小于15mm，工件距离渗剂顶部或底部不小于20mm。
8.如权利要求5所述的一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，采用两步法加热工艺，首先加热至800°C?950°C保温2?5小时，然后加热至1000°C?1250°C保温3?6小时，升温速度为5°C?10°C /min。
【文档编号】C23C10/54GK104264109SQ201410487150
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】刘京雷, 屈笑雨, 徐宏, 黄志荣, 万顺, 陆阳 申请人:华东理工大学