[發(fā)明專利]鋼鐵材料表面制備Fe－Al金屬間化合物層的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710023605.2
• 申請(qǐng)日: 2007-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN101074476A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚正軍;張平則;徐重;繆強(qiáng);包正軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/34
• 分類號(hào): C23C14/34;C23C14/16
• 代理公司: 南京蘇高專利事務(wù)所
• 代理人: 闕如生

技術(shù)領(lǐng)域

一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，屬于金屬材料表面冶金技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

Fe-Al基金屬間化合物具有比重小、彈性模量高、抗氧化、抗硫化、耐熱腐蝕等一系列優(yōu)異的性能特點(diǎn)。同各種不銹鋼、鈷基和鎳基高溫合金相比，F(xiàn)e-Al在高溫腐蝕環(huán)境中，特別是在沖蝕條件下使用具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。用作高溫結(jié)構(gòu)材料，室溫脆性(延伸率＜5％)和溫度超過500℃后材料強(qiáng)度急劇下降，是限制其工業(yè)應(yīng)用的兩大主要障礙。為解決這一問題，多年來材料工作者進(jìn)行了大量的研究和探索。在對(duì)Fe₃Al的力學(xué)行為、腐蝕行為及其組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)的相變過程的研究上取得了許多研究成果，對(duì)這種材料的環(huán)境脆性問題的研究也取得了一定的進(jìn)展，通過調(diào)整合金的成分和組織結(jié)構(gòu)能夠有效地提高其強(qiáng)度和塑性。但是由于成本和加工工藝性等一系列問題，F(xiàn)e-Al作為結(jié)構(gòu)材料未能得到廣泛應(yīng)用。

若將Fe-Al用作高溫結(jié)構(gòu)材料的表面防護(hù)涂層，即將材料的高溫耐蝕性和高溫強(qiáng)度分開來考慮，高溫強(qiáng)度由基體材料來承擔(dān)，高溫下的腐蝕與磨損由Fe-Al金屬間化合物涂層來防護(hù)，這無(wú)疑可以大大拓寬Fe-Al材料的應(yīng)用范圍。

傳統(tǒng)Fe-Al材料一般采用整體熔煉或粉末冶金等方法來制作，由于鐵鋁材料的本質(zhì)脆性，整體Fe-Al合金盡管具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，但不易成形，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。如果能利用普通鋼鐵材料作為基體，在成形后的零件上制備表面冶金Fe-Al合金層，既利用了其優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，又避免了成形困難的缺點(diǎn)，且大幅度降低了成本，拓寬了Fe-Al合金的應(yīng)用范圍。

雙層輝光技術(shù)曾用來在普通鋼鐵材料表面制備鎳鉻耐蝕合金、高速鋼；在鈦合金表面制備耐磨、耐蝕、阻燃合金層等，均取得成功。但要形成Fe-Al合金，按照傳統(tǒng)工藝卻不能成功。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于提供一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，形成表面FeAl、Fe₃Al金屬間化合物層，以在普通鋼鐵材料表面生成耐蝕性能優(yōu)越的合金層。

一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，其特征在于：在真空輝光放電裝置中同時(shí)設(shè)置兩個(gè)陰極，一個(gè)稱為源極，另一個(gè)被處理的鋼鐵材料工件稱為陰極，爐體為共用陽(yáng)極，工作氣壓為10-100Pa，源極電壓為100-1200V，陰極電壓為100-600V，極間距為10-30mm，處理溫度為900-1100℃，處理時(shí)間為0.5-3小時(shí)；其中源極由Al-石墨或Al-Al₂O₃經(jīng)粉末冶金工藝制成，其中Al-石墨中Al的含量為30-60％，Al-Al₂O₃中Al的含量為30-60％，在處理前，預(yù)先將該源極材料制備成平板狀或格柵狀或并列排狀或根據(jù)工件形狀而仿形制備。

雙層輝光等離子表面合金化工藝過程中源極溫度達(dá)到800℃以上，超過純Al的熔點(diǎn)，所以采用傳統(tǒng)工藝，利用純金屬作為源極，不能成功。如果降低源極電流密度從而降低源極溫度，則不能提供足夠的濺射量。本發(fā)明設(shè)計(jì)并采用粉末冶金制備Al-石墨或Al-Al₂O₃兩種Al源極，其中Al的含量為30-60％，其熔點(diǎn)在800℃以上，可以保證源極不熔化且能提供足夠的Al供給量。

傳統(tǒng)工藝中，利用平板狀源極結(jié)構(gòu)，由于供給量不足，制備效果不好。所以根據(jù)需要Al-石墨、Al-Al₂O₃源極可采用平板，最好采用格柵狀或并列排狀結(jié)構(gòu)，以增大濺射量，也可以根據(jù)工件形狀而仿形設(shè)計(jì)，滿足形狀較復(fù)雜的零件表面合金層均勻性要求。

根據(jù)合金層成分及厚度要求，通過合理布置源極、陰極位置，并在10～30mm之間調(diào)整陰極、源極間距，以產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，增加合金元素供給量，提高合金元素滲入速度。