一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法
【專利摘要】本發明涉及鋼件表面處理【技術領域】，特指一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法。本發明采用液態浸鍍鋁和隨后的復合擴散處理獲得Fe-Al金屬間化合物和少量Al2O3復合涂層。其工藝流程包括前處理（堿洗、酸洗、助鍍）、浸鍍鋁和擴散處理；浸鍍鋁在720-800℃鋁液中浸鍍1-10min；在保護氣氛或真空中進行850-1100℃、1-5h和400-600℃空氣中20-30min的復合擴散退火。通過調整擴散處理溫度和時間，得到不同厚度的含金屬間化合物和少量Al2O3復合耐磨涂層。本發明具有工藝簡便、成本低、涂層結合力強、高溫耐磨性優異等特點，可廣泛用于高溫耐磨鋼件的表面強化。
【專利說明】一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋼件表面處理【技術領域】，特指一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]Fe-Al金屬間化合物具有高溫抗氧化性好、耐蝕性強及比強度高等一系列優點，鋼件的液態浸鍍鋁獲得Fe-Al金屬間化合物涂層廣泛用于耐蝕和高溫耐氧化的環境下，如以下專利:200410020758.8 (—種在鋼鐵表面制備鐵鋁金屬間化合物涂層及熱處理方法)、200810138019.7 (重型汽車排氣管熱浸滲鋁的工藝方法)、200910017800.3 (—種鋼制散熱器熱浸滲鋁工藝)等，但液態浸鍍鋁所獲得的Fe-Al金屬間化合物一直被認為耐磨性不足，因此未見用于磨損工況，特別是高溫磨損工況下。
[0003]采用液態浸鍍鋁和隨后的復合擴散處理獲得Fe-Al金屬間化合物和少量Al2O3復合涂層；該涂層不僅具有優異的高溫抗氧化性、耐蝕性，還具有極高的高溫耐磨性；在復合涂層中Al2O3控制為少量，保持涂層強韌性，不至于高的Al2O3量導致涂層脆化；少量Al2O3可以對高溫下初期磨損起到一定的抗磨作用，隨著磨損進行，少量的Al2O3會剝落，但少量的Al2O3又會不斷地產生于Fe-Al金屬間化合物與大氣作用中，因此，復合涂層的高耐磨性決定于Fe-Al金屬間化合物的高溫強度和與大氣中不斷形成的少量Al2O315
[0004]采用液態浸鋁和復合擴散處理在鋼表面獲得耐高溫磨損涂層是一種新方法，通過復合擴散處理工藝控制Fe-Al金屬間化合物的物相和少量Al2O3的出現，使復合涂層達到耐蝕、耐氧化和耐磨性能有機結合在一起的優勢，使液態浸鍍鋁工藝的應用領域更加擴展，具有節能、節材、工藝簡便等優點，目前國內外尚未見利用液態浸鍍鋁和擴散處理獲得耐高溫磨損涂層的研究報道，具有創新性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決以往液態浸鍍鋁工藝獲得的Fe-Al金屬間化合物涂層僅具有耐蝕和耐高溫氧化性而無高溫耐磨性的問題，本發明中液態浸鍍鋁和復合擴散處理在鋼表面獲得耐高溫磨損涂層，同時具有耐氧化和耐腐蝕性，該方法具有節能、節材、工藝簡便等優點，可廣泛用于高溫耐磨件的表面強化。
[0006]液態浸鍍鋁和擴散處理后獲得的Fe-Al金屬間化合物包含Fe2Al5、FeAl、Fe3Al ；其中Fe2Al5為脆性相，而FeAl和Fe3Al為韌性相，通過擴散處理控制涂層中主要物相為FeAl和Fe3Al,同時表面產生少量的陶瓷相Al2O3,少量陶瓷相保證與金屬間化合物的緊密結合，在高溫磨損工況下，少量陶瓷相對初期磨損起到保護作用；而隨后磨損過程中FeAl和Fe3Al會在高溫、高壓下不斷的產生少量陶瓷相Al2O3，繼續起到耐磨保護作用，可使磨損量趨近于零；可見，采用本專利方法獲得的涂層不僅具有好的耐蝕性和耐高溫氧化性，還具有優異的高溫耐磨性。
[0007]本發明工藝流程包括對鋼件的前處理、浸鍍鋁和擴散處理；浸鍍鋁在720-800°C鋁液中浸鍍1-1Omin ;在保護氣氛或真空中進行850-1100 °C >1-5 h和在空氣中進行400-600 0C、20-30 min的復合擴散退火，通過調整擴散處理溫度和時間，得到厚度為100-500 μ m的以含FeAl和Fe3Al (90_95wt%)為主的金屬間化合物和少量Al2O3 (5_10wt%)復合耐磨涂層。
[0008]所述的對鋼件的前處理指依次對鋼件進行堿洗、酸洗和助鍍。
[0009]所述的堿洗指:在50°C -70°C，10wt%-20wt%的NaOH水溶液中處理8-lOmin。
[0010]所述的酸洗指:在40°C -50°C，5wt%-8wt%的HCl水溶液中處理lOmin。
[0011]所述的助鍍指:在80 °C, 6wt%NaCl+4wt%KF水溶液中、5wt%KCl+4wt%NaCl+lwt%Na3AlF6 水溶液中或 4wt%KCl+3wt%NaCl+lwt%NaF 水溶液中，處理IOmin0
[0012]所述的保護氣氛指氬氣。
[0013]所述的真空指≤lOPa。
[0014]采用液態浸鍍鋁工藝和復合擴散工藝制備金屬間化合物和少量Al2O3復合涂層，是利用韌性金屬間化合物的優異的高溫強度和產生于擴散工藝和磨損過程中少量Al2O3的高的耐磨保護性，而達到磨損率趨近于零的高溫耐磨性，同時，它還具有普通液態浸鍍鋁涂層的高溫抗氧化性和耐蝕性，所采用的工藝具有節能、節材、工藝簡便、生產效率高、所生產構件的形狀、大小不受限制等優點， 此外，該工藝涂層結合力強、質量穩定性高，易于工業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為液態浸鍍鋁和復合擴散處理后涂層的XRD圖譜；可見，主要物相為FeAl和Fe3Al及少量的A1203。
[0016]圖2為鋼經液態浸鍍鋁后分別在(a) 850 °C^P(b) 1000 °C真空中擴散處理及隨后在空氣中400-600°C復合擴散處理后獲得耐高溫磨損涂層的形貌及成分分布，可見，形貌及成分分布與物相分析是一致的，主要以FeAl和Fe3Al為主的金屬間化合物相和少量的
Al2O3U
[0017]圖3為本發明工藝所獲涂層在25°C、200°C、400 °C下的磨損失重與采用600°C真空擴散處理涂層工藝的磨損失重的對比；可見，本發明工藝所獲涂層在200和400 °C下的磨損失重極低，為超微磨損，對比600°C擴散處理工藝的涂層的磨損失重非常大。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
45鋼鋼件表面進行前處理:表面打磨光亮后，經10wt%Na0H水溶液60°C去油lOmin，然后水洗；再經5wt%HCl水溶液40°C除銹lOmin，然后水洗風干；將鋼件浸入溫度為80°C的6wt %NaCl+4wt%KF (質量百分濃度)水溶液中助鍍lOmin，然后烘干；將前處理后的鋼件置于720°C鋁液中浸鍍lOmin，取出后空冷至室溫；先在真空850°C條件下保溫5 h ;再在400°C空氣環境中保溫30 min ;得到厚度為126 μ m、含94wt%FeAl和Fe3Al金屬間化合物和6wt%Al203復合耐磨涂層。
[0019]實施例220CrMnTi鋼鋼件表面進行前處理:表面打磨光亮后，經20wt%Na0H水溶液50°C去油IOmin,然后水洗；再經8wt %HC1水溶液50°C除銹lOmin,然后水洗風干；將鋼件浸入溫度800C的5wt%KCl+4wt%NaCl+lwt%Na3AlF6水溶液中助鍍lOmin，然后烘干；浸入到750°C的熔融鋁液中浸鍍5min，取出后空冷至室溫；在氬氣保護下，1100°C擴散處理2h ;然后再在空氣500°C環境中加熱25min，得到厚度為360 μ m、含92wt%FeAl和Fe3Al金屬間化合物和8wt%Al203復合涂層。
[0020] 實施例3
H13鋼鋼件表面進行前處理:表面打磨光亮后，經15wt%NaOH水溶液70°C去油8min，水洗；5wt%HCl水溶液50 °C除銹IOmin，然后水洗風干；將鋼件浸入溫度80 V的4wt%KCl+ 3wt%NaCl+lwt%NaF水溶液中助鍍lOmin，然后烘干；浸入到800°C的熔融鋁液中浸鍍lmin，取出后空冷至室溫；在氬氣保護下1000°C擴散處理Ih ;然后再在空氣600°C環境中加熱20min，得到厚度為210 μ m、含90wt%FeAl和Fe3Al的金屬間化合物和10wt%Al203復合涂層。
【權利要求】
1.一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，包括對鋼件的前處理、浸鍍鋁和擴散處理；其特征在于:所述擴散處理指:在保護氣氛或真空中進行850-1100°C、l-5 h和在空氣中進行400-600°C、20-30 min的復合擴散退火，通過調整擴散處理溫度和時間，得到厚度為100-500 μ m的以含FeAl和Fe3Al為主的金屬間化合物和少量Al2O3復合耐磨涂層。
2.如權利要求1所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的對鋼件的前處理指依次對鋼件進行堿洗、酸洗和助鍍。
3.如權利要求2所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的堿洗指:在 50°C -70°C,10wt%-20wt% 的 NaOH 水溶液中處理 8_10min。
4.如權利要求2所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的酸洗指:在40°C -50°C,5wt%-8wt%的HCl水溶液中處理lOmin。
5.如權利要求2所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的助鍍指:在 80°C，6wt%NaCl+4wt%KF 的水溶液中、5wt%KCl+4wt%NaCl+lwt%Na3AlF6 的水溶液中或 4wt%KCl+3wt%NaCl+lwt%NaF 的水溶液中，處理 lOmin。
6.如權利要求1所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的浸鍍鋁指在720-800°C鋁液中浸鍍l-10min。
7.如權利要求1所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的保護氣氛指氬氣。
8.如權利要求1所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的真空指≤10Pa。
9.如權利要求1所述的一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法，其特征在于:所述的耐磨涂層中含 FeAl 和 Fe3Al 90_95wt%，含 Al2035_10wt%。
【文檔編號】C23C2/02GK103628013SQ201310558378
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】陳康敏, 王樹奇, 廖遠祿, 張秋陽, 周銀, 崔向紅 申請人:江蘇大學