一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋼件表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法。本發(fā)明采用液態(tài)浸鍍鋁和隨后的復(fù)合擴(kuò)散處理獲得Fe-Al金屬間化合物和少量Al2O3復(fù)合涂層。其工藝流程包括前處理（堿洗、酸洗、助鍍）、浸鍍鋁和擴(kuò)散處理；浸鍍鋁在720-800℃鋁液中浸鍍1-10min；在保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行850-1100℃、1-5h和400-600℃空氣中20-30min的復(fù)合擴(kuò)散退火。通過調(diào)整擴(kuò)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(fù)合耐磨涂層。本發(fā)明具有工藝簡便、成本低、涂層結(jié)合力強(qiáng)、高溫耐磨性優(yōu)異等特點(diǎn)，可廣泛用于高溫耐磨鋼件的表面強(qiáng)化。
【專利說明】一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼件表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種鋼件表面高溫耐磨涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Fe-Al金屬間化合物具有高溫抗氧化性好、耐蝕性強(qiáng)及比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，鋼件的液態(tài)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(huán)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(tài)浸鍍鋁所獲得的Fe-Al金屬間化合物一直被認(rèn)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(tài)浸鍍鋁和隨后的復(fù)合擴(kuò)散處理獲得Fe-Al金屬間化合物和少量Al2O3復(fù)合涂層；該涂層不僅具有優(yōu)異的高溫抗氧化性、耐蝕性，還具有極高的高溫耐磨性；在復(fù)合涂層中Al2O3控制為少量，保持涂層強(qiáng)韌性，不至于高的Al2O3量導(dǎo)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(jìn)行，少量的Al2O3會剝落，但少量的Al2O3又會不斷地產(chǎn)生于Fe-Al金屬間化合物與大氣作用中，因此，復(fù)合涂層的高耐磨性決定于Fe-Al金屬間化合物的高溫強(qiáng)度和與大氣中不斷形成的少量Al2O315
[0004]采用液態(tài)浸鋁和復(fù)合擴(kuò)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(fù)合擴(kuò)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(xiàn)，使復(fù)合涂層達(dá)到耐蝕、耐氧化和耐磨性能有機(jī)結(jié)合在一起的優(yōu)勢，使液態(tài)浸鍍鋁工藝的應(yīng)用領(lǐng)域更加擴(kuò)展，具有節(jié)能、節(jié)材、工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)外尚未見利用液態(tài)浸鍍鋁和擴(kuò)散處理獲得耐高溫磨損涂層的研究報道，具有創(chuàng)新性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決以往液態(tài)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(fā)明中液態(tài)浸鍍鋁和復(fù)合擴(kuò)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(jié)能、節(jié)材、工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于高溫耐磨件的表面強(qiáng)化。
[0006]液態(tài)浸鍍鋁和擴(kuò)散處理后獲得的Fe-Al金屬間化合物包含F(xiàn)e2Al5、FeAl、Fe3Al ；其中Fe2Al5為脆性相，而FeAl和Fe3Al為韌性相，通過擴(kuò)散處理控制涂層中主要物相為FeAl和Fe3Al,同時表面產(chǎn)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(jié)合，在高溫磨損工況下，少量陶瓷相對初期磨損起到保護(hù)作用；而隨后磨損過程中FeAl和Fe3Al會在高溫、高壓下不斷的產(chǎn)生少量陶瓷相Al2O3，繼續(xù)起到耐磨保護(hù)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(yōu)異的高溫耐磨性。
[0007]本發(fā)明工藝流程包括對鋼件的前處理、浸鍍鋁和擴(kuò)散處理；浸鍍鋁在720-800°C鋁液中浸鍍1-1Omin ;在保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行850-1100 °C >1-5 h和在空氣中進(jìn)行400-600 0C、20-30 min的復(fù)合擴(kuò)散退火，通過調(diào)整擴(kuò)散處理溫度和時間，得到厚度為100-500 μ m的以含F(xiàn)eAl和Fe3Al (90_95wt%)為主的金屬間化合物和少量Al2O3 (5_10wt%)復(fù)合耐磨涂層。
[0008]所述的對鋼件的前處理指依次對鋼件進(jìn)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(hù)氣氛指氬氣。
[0013]所述的真空指≤lOPa。
[0014]采用液態(tài)浸鍍鋁工藝和復(fù)合擴(kuò)散工藝制備金屬間化合物和少量Al2O3復(fù)合涂層，是利用韌性金屬間化合物的優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和產(chǎn)生于擴(kuò)散工藝和磨損過程中少量Al2O3的高的耐磨保護(hù)性，而達(dá)到磨損率趨近于零的高溫耐磨性，同時，它還具有普通液態(tài)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(jié)能、節(jié)材、工藝簡便、生產(chǎn)效率高、所生產(chǎn)構(gòu)件的形狀、大小不受限制等優(yōu)點(diǎn)， 此外，該工藝涂層結(jié)合力強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定性高，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為液態(tài)浸鍍鋁和復(fù)合擴(kuò)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(jīng)液態(tài)浸鍍鋁后分別在(a) 850 °C^P(b) 1000 °C真空中擴(kuò)散處理及隨后在空氣中400-600°C復(fù)合擴(kuò)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(fā)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(kuò)散處理涂層工藝的磨損失重的對比；可見，本發(fā)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(kuò)散處理工藝的涂層的磨損失重非常大。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
45鋼鋼件表面進(jìn)行前處理:表面打磨光亮后，經(jīng)10wt%Na0H水溶液60°C去油lOmin，然后水洗；再經(jīng)5wt%HCl水溶液40°C除銹lOmin，然后水洗風(fēng)干；將鋼件浸入溫度為80°C的6wt %NaCl+4wt%KF (質(zhì)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(huán)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(fù)合耐磨涂層。
[0019]實(shí)施例220CrMnTi鋼鋼件表面進(jìn)行前處理:表面打磨光亮后，經(jīng)20wt%Na0H水溶液50°C去油IOmin,然后水洗；再經(jīng)8wt %HC1水溶液50°C除銹lOmin,然后水洗風(fēng)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(hù)下，1100°C擴(kuò)散處理2h ;然后再在空氣500°C環(huán)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(fù)合涂層。
[0020] 實(shí)施例3
H13鋼鋼件表面進(jìn)行前處理:表面打磨光亮后，經(jīng)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(fēng)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(hù)下1000°C擴(kuò)散處理Ih ;然后再在空氣600°C環(huán)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(fù)合涂層。
【權(quán)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(kuò)散處理；其特征在于:所述擴(kuò)散處理指:在保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行850-1100°C、l-5 h和在空氣中進(jìn)行400-600°C、20-30 min的復(fù)合擴(kuò)散退火，通過調(diào)整擴(kuò)散處理溫度和時間，得到厚度為100-500 μ m的以含F(xiàn)eAl和Fe3Al為主的金屬間化合物和少量Al2O3復(fù)合耐磨涂層。
2.如權(quán)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(jìn)行堿洗、酸洗和助鍍。
3.如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(hù)氣氛指氬氣。
8.如權(quán)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(quán)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(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】陳康敏, 王樹奇, 廖遠(yuǎn)祿, 張秋陽, 周銀, 崔向紅 申請人:江蘇大學(xué)