机械能助渗铝机制和渗铝层组织结构与性能表征

【摘要】： 用自行研制的机械能助渗装置,对机械能助渗铝的渗剂配方、温度、时间、滚筒转速、渗剂装入量、滚筒直径、渗剂粒度、冲击粒子等工艺因素对机械能助渗铝速度的影响进行了试验研究。 应用金相分析、电子探针、X射线衍射仪、透射电镜等现代分析方法,研究和分析了机械能助渗铝层的组织结构、形貌、化学成分分布;分析了机械能对试样基体微观缺陷的影响。 利用化学反应的热力学函数,研究分析了机械能助渗铝化学反应过程的方式、步骤;考察了机械能助渗铝过程中渗剂反应、活性原子吸附、扩散三个主要环节的热力学和动力学机制,从而确定了整个助渗过程的控制环节和非控制环节;在此基础上,建立了机械能助渗铝机制的理论模型。 分析测试了机械能助渗铝层的显微硬度、耐腐蚀性、抗高温氧化性等性能以及机械能助渗铝层对基体抗拉强度、延伸率等力学性能的影响。 结论表明: 1、选择适宜的供铝剂、催渗剂和填充剂,机械能助渗可以在500-650℃的低温下得到厚度均匀、组织致密的渗铝层,渗铝层厚度可以达到250μm;渗速可以达到,甚至超过粉末高温渗铝(900℃以上)的速度。但渗层中形成疏松孔洞的倾向较大。 2、渗铝温度越高,渗速越快。如果填充剂颗粒较细,当渗铝温度大于650℃时,铝粉熔化,渗剂流动性差,渗铝速度反而下降。因此机械能助渗铝温度应控制在500-650℃。如果填充剂颗粒较粗,铝粉熔化基本不影响渗剂流动性。在700℃机械能助渗铝渗速很快,08F钢渗铝层厚度达到500μm,但渗剂中的铝粉粘结成很大的铝球,浪费铝粉。渗层厚度与保温时间基本成抛物线关系。滚筒转速在8r/min、滚筒内空隙达到1O%时,渗速最快。 3、渗铝层内部组织主要是由Fe_2Al_5相构成,Fe_2Al_5相呈柱齿状向基体内生长。渗铝层中还存在少量FeAl、Fe_3Al等铁铝化合物及非晶态合金相,在Fe_2Al_5相和基体之间没有FeAl、Fe_3Al等独立成层的低铝相区,没有形成晶粒粗大的含铝α-Fe相过渡区。 4、渗铝层表面组织是在Fe_2Al_5相表面断续分布着Al_2O_3、FeO以及(FeO)_n·(Al_2O_3)_m等氧化物颗粒;这些氧化物颗粒先于Fe_2Al_5相生成。 5、随着碳含量的增加,渗铝层厚度下降;1Cr18Ni9不锈钢、金属钛、镍表面机械能助渗铝也能得到渗铝层,渗铝速度远低于低碳钢;在铜表面机械能助渗铝未能得到渗铝层;在镁表面机械能助渗铝得到的渗铝层很脆,容易剥落。 6、在500-700℃,粉末渗铝过程在热力学上是自发过程;在反应、吸附、扩散三个过程中,渗铝剂中反应产生活性铝原子的过程是反应控制的主要过程。 7、机械能助渗的机制是由于渗剂颗粒之间相互冲击、摩擦提高了供铝剂的化学活性,增加了渗剂各组分之间、供铝剂与渗件表面之间的接触机会,加速了渗剂反应,使活性铝原子浓度大大提高。渗剂和渗件之间的相互冲击、摩擦使表面氧化膜变得不连续,净化了渗件表面,有利于活性原子吸附,也有提高渗速的作用。 8、催渗剂NH_4Cl产生的HCl并不能完全清除试样表面的氧化铁薄膜,活性铝原子首先进入Fe_2O_3薄膜中夺取氧原子生成Al_2O_3,铁元素被还原,但铁原子并没有与铝结合为铁铝化合物,而是以FeO的形式存在,在渗层表面形成了(FeO)_n(Al_2O_3)_m氧化物颗粒。 9、机械能渗铝层的显微硬度达到980HV_(0.1);具有良好的耐NaCl、H_2S、H_2SO_3、HNO_3等腐蚀介质腐蚀的性能和高的抗高温氧化性。材料经过机械能助渗铝后,基体仍然可以保持良好的机械性能;工件变形小,可以应用于形状复杂的工件。因此机械能助渗铝工艺具有良好的应用前景。