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        球墨鑄鐵熱浸鍍鋁的擴(kuò)散行為

        2014-08-01 09:25:58史曉萍孟君晟
        關(guān)鍵詞:鋁層鍍鋁能譜

        史曉萍, 孟君晟

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

        鑄鐵以其熔煉簡便、成本低廉的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于模具的生產(chǎn)制造中;作為模具又常被使用于高溫條件下。鑄鐵高溫抗氧化能力較差,在800~900 ℃的使用條件下極易發(fā)生氧化反應(yīng),因此,當(dāng)鑄鐵作為高溫模具使用時其壽命較短[1-6]。為了提高鑄鐵的抗高溫氧化能力,學(xué)者們作了許多研究和實(shí)踐[7-10],劉邦津[7]、陳軍[8]研究了熱浸鍍的性能及用途,認(rèn)為熱浸鍍鋁涂層具有良好的抗高溫氧化性。筆者在大量研究的基礎(chǔ)上,以模具的使用特點(diǎn)為背景,探討熱浸鍍鋁微弧氧化涂層在高溫下的抗氧化能力。

        1 實(shí)驗材料與方法

        基體材料為球墨鑄鐵,尺寸規(guī)格φ20 mm ×6 mm,中間鉆孔φ4 mm。

        采用熔劑法對球墨鑄鐵進(jìn)行熱浸鍍鋁。工藝參數(shù):時間10 min,溫度(750 士10)℃。工藝路線:試樣→砂紙打磨→堿洗→水洗→酸洗→水洗→助鍍→烘干→熱浸鍍。

        擴(kuò)散溫度為600 、700 、800 、900 ℃,擴(kuò)散時間為1 、2 、3 h。

        2 實(shí)驗結(jié)果與分析

        2.1 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁組織與形貌

        球墨鑄鐵熱浸鍍鋁后,對得到的試樣進(jìn)行線切割,采用掃描電鏡進(jìn)行截面線掃描,掃描能譜如圖1所示。

        圖1 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁截面線掃描能譜Fig.1 Line scanning of elements along crosssection of HDA ductile iron

        由圖1 可以看出,球墨鑄鐵進(jìn)行熱浸鋁后,得到的鍍層共分為兩層,上層為灰黑色,從能譜中可以看出,主要成分為Al 元素。圖1a 中,上層中存在若干針狀物質(zhì),對針狀物質(zhì)進(jìn)行點(diǎn)掃描,其截面形貌及成分見圖2 及表1。點(diǎn)掃描能譜表明,針狀物質(zhì)的主要化學(xué)成分為Fe 和Al,可以確定,上層為含有微量Fe-Al 化合物的富鋁層??拷w的為下層,顏色呈灰白色,從線掃描能譜中可以看出,主要化學(xué)成分為Fe 和Al。根據(jù)Fe-Al 相圖分析,在球墨鑄鐵熱浸鍍鋁的過程中,球墨鑄鐵與熔融的液態(tài)鋁相接觸,鐵原子和鋁原子在高溫下發(fā)生相互擴(kuò)散,在相界面處Fe 和Al 發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成Fe-Al 金屬間化合物,通過保溫一定時間之后,便生成了具有一定厚度的擴(kuò)散層。整個鍍層呈舌狀并嵌入球墨鑄鐵基體,與基體相連緊密,結(jié)合狀態(tài)良好。

        圖2 熱浸鍍鋁富鋁層截面形貌Fig.2 Cross-section of HDA coatings

        表1 圖2 中測點(diǎn)的成分分析Table 1 Composition of point in fig.2

        熱浸鍍鋁試樣鍍層的XRD 分析圖譜見圖3。經(jīng)標(biāo)定認(rèn)為,鍍層由Al、FeAl3和Fe2Al5三相組成。

        圖3 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁鍍層XRD 物相分析Fig.3 X-ray diffraction diagram of HDA coatings

        在浸鍍的過程中,鐵鋁原子發(fā)生相互擴(kuò)散,引起一定的濃度起伏,在降溫過程中,富鋁層中極易出現(xiàn)FeAl3相,由此認(rèn)為,富鋁層中的針狀物質(zhì)為FeAl3相。結(jié)合對球墨鑄鐵熱浸鍍鋁鍍層的XRD 物相分析,以及對鍍層形成機(jī)理的分析,可以確定金屬間化合物擴(kuò)散層主要由FeAl3和Fe2Al5兩種物相組成,擴(kuò)散層形態(tài)呈舌狀并嵌入球墨鑄鐵基體。

        2.2 熱浸鍍鋁層高溫擴(kuò)散行為

        圖4 為熱浸鍍鋁試樣在700 ℃下不同擴(kuò)散時間的截面形貌。從圖4 中可以明顯地看出,在相同溫度下,隨著時間的增加,純鋁層在逐漸的減少,合金層逐漸加厚。

        圖4 700 ℃擴(kuò)散溫度下截面形貌Fig.4 Cross sectional SEM microstructure of diffusion treated at 700 ℃

        圖5 為熱浸鍍鋁試樣在不同溫度下擴(kuò)散3 h 的截面形貌。從圖5 可以明顯地看出,在相同保溫時間下,提高溫度,Al 元素向Fe-Al 合金層中擴(kuò)散速度加快,當(dāng)800 ℃擴(kuò)散3 h 時,純鋁層消失,合金層在擴(kuò)散退火過程中顯著增厚。

        圖5 不同溫度下擴(kuò)散3 h 截面形貌Fig.5 Cross sectional SEM diffusion treated for 3 h of different temper

        3 結(jié) 論

        (1)球墨鑄鐵表面采用熱浸鍍鋁的方法,可以獲得一定厚度的鍍層。

        (2)球墨鑄鐵熱浸鍍鋁鍍層的組織結(jié)構(gòu)中,鍍層分為表面富鋁層及過渡層,即鋁鐵合金層,過渡層形狀如舌狀指向基體,由FeAl3、Fe2Al5物相組成?;w與鍍層之間為冶金結(jié)合,具有很強(qiáng)的結(jié)合力。

        (3)在相同擴(kuò)散溫度下,增加保溫時間有利于Al 元素向Fe-Al 合金層擴(kuò)散。在相同保溫時間下,提高溫度,Al 元素向Fe-Al 合金層中擴(kuò)散速度加快。

        [1]SIVAN V.Hot dip aluminium coating of steel[M].[s.l.]:Metal Finishing,1980.

        [2]陸文華.鑄鐵及其熔煉[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

        [3]宋廣勝.等溫淬火球鐵生產(chǎn)工藝研究[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2004,21(2):16 -20.

        [4]尹 晨.QT600 球墨鑄鐵激光淬火相變層機(jī)械性能的研究[J].激光雜志,2006,27(4):74 -75.

        [5]葉 宏.玻璃模具的激光合金化處理[J].模具工業(yè),2000(4):48 -49.

        [6]王華明,BERGANN H W.球鐵激光重熔組織熱處理制備新型鐵基耐磨材料[J].材料研究學(xué)報,1998,12(1):99 -101.

        [7]劉邦津.熱浸鍍[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1987.

        [8]陳 軍.合金層厚度對熱浸鍍鋁件抗氧化性能的影晌[J].表面技術(shù),2001,30(6):27 -29.

        [9]顧國成,劉邦津.熱浸鍍[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988.

        [10]李華飛,俞敦義.熱浸鍍鋁鋼的性能及用途[J].材料保護(hù),2001,34(5):21 -24.

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