[發明專利]一種合金表面鉻硅共滲滲劑及涂層制備方法

有效

• 申請號: 201410487150.X
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號: CN104264109B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 劉京雷;屈笑雨;徐宏;黃志榮;萬順;陸陽
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C23C10/54
• 分類號: C23C10/54
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙)31230
• 代理人: 朱小晶

【技術領域】

本發明涉及合金表面涂層制備技術，更具體的說，是一種合金表面鉻硅共滲滲劑及涂層制備方法。

【背景技術】

眾所周知，在一般使用條件下，鋼鐵材料的失效多源于表面。表面涂層強化技術可以使材料表面的成分、組織、結構發生變化，提高表面性能，不但可以延長材料使用壽命，也可以避免采用高成本的材料。金屬表面滲鉻(Cr)、滲硅(Si)可以明顯提高金屬材料的耐蝕性、抗高溫氧化、抗滲碳性能，并具有抑制鐵鎳元素催化效應等作用，目前已得到一定的應用。對于低碳鋼，滲鉻較容易實現，但對于中高碳鋼及高合金鋼，隨著Cr向爐管合金內部的擴散滲入，在其內部必然形成一定量的碳化物，這將降低Cr擴散速度和數量，影響涂層的質量。并且研究發現，元素Cr在奧氏體組織中的擴散速度明顯低于在鐵素體中的擴散速度。而工程上常用的HP40、HK40、316等材料在常溫及高溫下均為奧氏體組織，這類材料的滲鉻更為困難。為加快Cr的擴散速度，目前在工藝上采取Cr、Si共滲技術，在滲Cr過程中加入Si元素，Si可降低合金表面局部的C含量，伴隨著組織由奧氏體轉變為鐵素體，有利于Cr的擴散滲入。

但是，在元素擴散過程中，由于Cr、Si、Fe擴散速度不相同，Si的擴散系數比Fe大，存在原子擴散的柯肯達爾效應。在Cr、Si擴散的同時伴隨著空洞的出現，導致涂層內有大量孔隙，涂層不致密，脆性增大，甚至還會引起涂層脫落，嚴重影響使用性能。

【發明內容】

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種合金表面鉻硅共滲滲劑及涂層制備方法，獲得結合力好，均勻致密、無孔隙的鉻硅涂層，涂層制備工藝簡單、操作方便、易于實現，適于生產和工業應用。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種合金表面鉻硅共滲滲劑，其包括以下重量百分比的組分粉末：

鉻：12～25％；

硅鐵合金：5％～20％；

鈦：1～5％；

堿土金屬氧化物：5～10％；

活化劑：0.5～3.5％；

氧化鋁：余量。

所述的堿土金屬氧化物為氧化鈣、氧化鎂中的一種或者兩種混合物。

所述的活化劑為氯化銨、氟化鈉中的一種或兩種混合物。

所述的組分粉末粒度為150～400目。

組分鈦、氧化鎂和氧化鈣作為硅元素擴散速度調節劑，避免元素擴散過程產生孔隙。

一種合金表面鉻硅共滲涂層的制備方法，其具體步驟為：

步驟(1)：按重量百分比稱取各組分粉末，將其攪拌混合均勻后放入滲箱；

步驟(2)：將除油除銹后的待滲零件埋入滲劑中并壓實，用耐火泥密封滲箱，在100℃～120℃烘干1～2小時；

步驟(3)：將烘干后的滲箱置于高溫馬弗爐中，在850℃～1250℃的溫度下進行包埋共滲處理，隨爐冷卻后取出。

在所述步驟(1)中氧化鋁粉末在使用前經1000℃～1200℃溫度煅燒處理2～3小時。

在所述步驟(2)中滲箱有多個試樣時，相鄰平行試樣之間的距離不小于15mm，工件距離滲劑頂部或底部不小于20mm。

在所述步驟(3)中，采用兩步法加熱工藝，首先加熱至800℃～950℃保溫2～5小時，然后加熱至1000℃～1250℃保溫3～6小時，升溫速度為5℃～10℃/min。

與現有技術相比，本發明的積極效果是：

本發明的滲劑配方創新在于采用鈦及堿土金屬氧化物氧化鎂和/或氧化鈣。當共滲反應進行時，Si在Fe中以置換形式形成置換固溶體，活性硅原子向工件內部擴散是以空位機理進行的。Si向內部擴散的同時，還進行著鐵原子由內部向外的擴散，因而在工件表層存在著硅-鐵的互擴散偶。特別是在擴散前沿，硅的濃度梯度最大。因此，在常規滲鉻硅工藝中，硅-鐵互擴散區域要發生嚴重的柯肯達爾效應，導致擴散層中出現微孔。隨著滲硅層中出現γ→α相變，產生相變應力，擴散層前沿形成的微小孔更易于聚集長大，出現明顯的孔洞。

本發明滲劑體系中，鈦(Ti)元素的存在，一定程度上降低了Si的擴散速度，使得Fe、Si擴散速度相匹配。同時，在滲劑中添加的氧化鎂和氧化鈣與Si相互作用，形成鈣和鎂的硅化物，可使合金表面上的活性硅原子濃度降低，創造滲硅最佳條件。Si的吸附速度低于它向工件表面深處的擴散速度，在局部表層，Si和Fe的互擴散量相近，有效的避免由柯肯達爾效應產生的孔隙，獲得致密的涂層組織。