徐家文， 毛楠楠， 王淑花， 劉愛(ài)蓮， 陳洪玉

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

表面滲鋁是熱處理行業(yè)中經(jīng)常應(yīng)用的一種化學(xué)熱處理工藝。它可賦予材料優(yōu)良的耐候性、耐蝕性和抗高溫氧化性，同時(shí)又不破壞基體材料的整體力學(xué)性能，在石油、化工、電力、冶金和航空航天等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1－3］。低、中碳鋼滲鋁后可以獲得優(yōu)異的抗高溫氧化和耐腐蝕性能，能節(jié)約大量不銹鋼和耐熱鋼，從而降低生產(chǎn)成本和維修費(fèi)用［4－5］。常見(jiàn)的滲Al 溫度為850～1 050 ℃［6］，研究發(fā)現(xiàn)，低溫滲Al 對(duì)鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能影響不大，又能顯著提高材料的表面硬度［7－8］。因此，筆者通過(guò)對(duì)Q235 鋼進(jìn)行固體粉末法650 ℃低溫滲Al 處理，研究滲Al 對(duì)Q235 鋼高溫氧化性能的影響，拓寬Q235 鋼的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用材料為2 mm 厚的Q235 鋼板，先對(duì)Q235 鋼板進(jìn)行退火處理，然后利用NH7220 型電火花切割機(jī)將退火后的Q235 鋼切成15 mm×15 mm×2 mm的試樣。對(duì)切割后的試樣進(jìn)行除油除銹，用800 號(hào)水砂紙磨平表面，在無(wú)水乙醇中用100 Hz 超聲波清洗表面油污10 min，烘干后利用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣尺寸，至少測(cè)量三次取平均值，利用十萬(wàn)分之一精度的電子天平測(cè)量質(zhì)量。

滲鋁劑由Al 粉、Al2O3粉和NH4Cl 粉組成，三者的比例為α(Al)∶α(Al2O3)∶α(NH4Cl)=15∶4∶1。將這三種粉末充分混合均勻與經(jīng)過(guò)除銹除油處理的Q235 鋼試樣一同裝入自制鋼罐中進(jìn)行滲Al，隨爐加熱至650 ℃，保溫5 h，然后隨爐冷卻。

將未滲Al 的Q235 試樣和滲Al 后的試樣分別放入Al2O3坩堝中進(jìn)行恒溫氧化實(shí)驗(yàn)，溫度為700 ℃，每隔5 h 取出冷卻至室溫，然后測(cè)量其質(zhì)量，總氧化時(shí)間為50 h。利用Quanta 200 型掃描電子顯微鏡觀察Q235 鋼滲Al 前后的氧化膜的表面及截面形貌，利用D8 Advanced X 射線衍射儀分析滲Al 層的物相組成和氧化膜的物相組成，陽(yáng)極靶材為Cu 靶，波長(zhǎng)為0.154 056 nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲Al 層的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖1 為Q235 鋼650 ℃滲鋁后的XRD 圖譜。由圖1 可見(jiàn)，X 射線衍射圖譜中主要存在Fe3C 相、Al5Fe2相和AlFe 相。因此Q235 鋼滲Al 后形成了Al5Fe2與AlFe 等金屬間化合物。

圖1 Q235 鋼650 ℃滲Al 后的XRD 圖譜Fig．1 XRD pattern of Q235 steel aluminized at 650 ℃

Q235 鋼滲Al 后表面呈灰色，用肉眼觀察不到起皮和裂紋。圖2 是Q235 鋼650 ℃滲鋁后表面形貌。在掃描電鏡下可以明顯看到Q235 鋼滲Al 后滲Al 層表面較粗糙，滲Al 層較致密，局部出現(xiàn)開(kāi)裂和孔洞。

圖2 Q235 鋼650 ℃滲Al 后的表面形貌Fig．2 Surface morphology of Q235 steel aluminized at 650 ℃

圖3 是Q235 鋼滲Al 層的截面及截面的能譜線掃描。由圖3 的截面可見(jiàn)，滲Al 層與基體結(jié)合處界面較平整，厚度較均勻，致密性較好，在滲Al 層中幾乎無(wú)空洞和裂紋出現(xiàn)。滲Al 層外表面呈波浪狀，表面較平整。滲Al 層厚度為150～220 μm。從背散射電子像上看，滲Al 層外表面形貌與內(nèi)層區(qū)別較大，從能譜線掃描曲線可看出沿基體向滲層外表面方向，Al 元素含量越來(lái)越高，F(xiàn)e 元素含量越來(lái)越低。因此，結(jié)合圖1 的X 射線衍射圖譜可知，滲Al層外層主要是Al5Fe2相，越往滲層內(nèi)部，Al5Fe2相含量逐漸減少，AlFe相含量逐漸增加。

圖3 Q235 鋼650 ℃滲Al 后的截面形貌Fig．3 Cross-section microstructure of Q235 steel aluminized at 650 ℃

2.2 滲Al 對(duì)Q235 鋼恒溫氧化行為的影響

當(dāng)Q235 鋼在700 ℃進(jìn)行50 h 的恒溫氧化時(shí)，試樣表面呈鐵銹色，有明顯的掉皮現(xiàn)象。而經(jīng)過(guò)滲Al 處理的Q235 鋼在恒溫氧化時(shí)，試樣表面呈現(xiàn)灰色，且在氧化處理過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)掉皮。這說(shuō)明滲鋁層氧化膜的結(jié)合能力較好。

圖4 為Q235 鋼和650 ℃滲鋁處理的Q235 鋼在700 ℃恒溫氧化后的XRD 圖譜。由圖4 可知，Q235鋼700 ℃恒溫氧化后氧化層呈Fe2O3相，滲Al 的Q235 鋼的氧化層主要由Al2O3和Fe2O3物質(zhì)組成。

圖5 分別為滲Al 前后Q235 鋼700 ℃高溫氧化處理后的表面形貌。由圖5a 可見(jiàn)，Q235 鋼在700 ℃恒溫氧化50 h 后，鋼材表面生成的Fe2O3膜比較疏松，氧化物顆粒粗大，F(xiàn)e2O3顆粒間距不等，存在大量孔隙。這樣疏松的氧化膜在隨后的氧化過(guò)程中對(duì)基體幾乎沒(méi)有保護(hù)作用，氧化膜也容易脫落。圖5b可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)滲Al 處理的Q235 鋼表面的氧化物顆粒較細(xì)小，氧化膜較致密，將對(duì)基體起到保護(hù)作用。

圖4 700 ℃恒溫氧化后的XRD 圖譜Fig．4 XRD patterns of steel isothermal oxidized at 700 ℃

圖5 恒溫氧化后的表面形貌Fig．5 Morphology of isothermal oxidation scale at 700 ℃

圖6 為Q235 鋼滲Al 后在700 ℃高溫氧化后的截面形貌及相應(yīng)的能譜線分析曲線。由圖6 可見(jiàn)，Q235 鋼恒溫氧化后的氧化膜厚為100～150 μm，與基體結(jié)合較差，氧化膜從內(nèi)到外有大量孔洞存在，尤其是越到外面，孔洞越多。隨著氧化時(shí)間的增加，氧氣通過(guò)這些孔洞繼續(xù)向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，加劇材料的氧化。此外，隨著孔洞數(shù)量的增加，這些孔洞有可能互相連接起來(lái)，形成貫穿性裂紋，氧化膜將從基體上剝落下來(lái)，基體就會(huì)繼續(xù)被氧化。由圖6b 可知，當(dāng)Q235 鋼經(jīng)過(guò)滲Al 改性后，在700 ℃恒溫氧化時(shí)的氧化膜只有很薄一層，厚度約為10 μm，氧化膜致密性好。由能譜線掃描圖可知越靠近Q235 鋼基體，Al 元素含量越少而Fe 元素含量越多，O 元素主要分布在近外表面。這說(shuō)明滲鋁處理的Q235 鋼在700 ℃氧化時(shí)，主要生成的是Al 與O 的氧化物Al2O3。因此，Q235 鋼經(jīng)滲鋁處理后，由于在氧化過(guò)程中形成了顆粒細(xì)小的均勻致密性氧化膜，阻礙了后續(xù)氧化時(shí)氧元素向Q235 鋼基體的擴(kuò)散，從而對(duì)基體起到保護(hù)作用。

圖6 700 ℃恒溫氧化后的截面形貌Fig．6 Cross-section of oxidation scale at 700 ℃

圖7 是Q235 鋼不同溫度滲鋁后700 ℃高溫氧化后動(dòng)力學(xué)曲線。由圖7 可見(jiàn)，Q235 鋼在700 ℃恒溫氧化過(guò)程中增重明顯，每次增重穩(wěn)定而且增重量大，生成的氧化物多。這說(shuō)明材料的抗高溫氧化性差，而且每次都保持著向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說(shuō)明這種材料會(huì)隨時(shí)間的增加將不斷氧化，最后直至材料損壞。經(jīng)過(guò)滲Al 處理的Q235 鋼隨著恒溫氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，單位面積增重量ρA呈拋物線形狀變化，氧化增重不明顯，氧化增重量逐漸減少，說(shuō)明后期生成的氧化物較開(kāi)始時(shí)逐漸減少，氧化程度減弱，先生成的氧化膜阻礙氧向基體中進(jìn)一步擴(kuò)散，對(duì)基體具有保護(hù)作用。

圖7 Q235 鋼和滲鋁Q235 鋼恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線Fig．7 Oxidation curves of Q235 and aluminized Q235 steel isothermal oxidized at 700 ℃

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)固體粉末包埋法650 ℃低溫滲Al 后，Q235 鋼表面生成了一層均勻致密的滲Al 層，該層主要由Al5Fe2與AlFe 等金屬間化合物組成，無(wú)明顯的貫穿裂紋與孔洞。

(2)滲鋁能顯著提高Q235 鋼的抗高溫氧化性能，在滲鋁層表面形成致密的氧化膜，動(dòng)力學(xué)曲線呈拋物線狀。

(3)氧化膜主要由Al2O3和Fe2O3組成，較致密，缺陷較少。

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