45鋼的直流電場(chǎng)催滲粉末鋁鉻共滲

繆小吉 孫 斐 胡 靜,2

(1.常州輕工技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

滲鋁能在鋼材表面形成保護(hù)滲層，使之具有抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良性能，從而在某些特殊環(huán)境下可以用滲鋁的普通碳鋼代替不銹鋼[1-2]。滲鉻也能在鋼材表面形成保護(hù)滲層，使之具有耐磨、抗氧化、耐腐蝕等綜合性能，從而可采用滲鉻的普通碳鋼代替高合金工具鋼、不銹鋼或其他特殊合金。因此，滲鋁和滲鉻都具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[3-4]。

粉末滲金屬操作簡(jiǎn)便、成本低、工藝易于控制、滲層質(zhì)量好，但傳統(tǒng)的粉末滲工藝溫度高(一般都在1 000 ℃以上)、時(shí)間長(zhǎng)，能耗較大，滲劑利用率不高，成本較高。為此，業(yè)已研發(fā)了包括機(jī)械能助滲的多種新工藝[5-6]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，施加直流電場(chǎng)對(duì)粉末滲工藝具有顯著的催化作用[7-9]。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)工件表面性能的技術(shù)要求也不斷提高。很多情況下，滲入單一元素已不能滿足越來(lái)越高的技術(shù)要求，需采用多元共滲技術(shù)以發(fā)揮多種元素的綜合優(yōu)勢(shì)。因此，多元共滲應(yīng)運(yùn)而生，即在一種工藝條件下，將鋁和鉻等兩種或更多元素同時(shí)滲入零件。共滲的目的是發(fā)揮每種元素的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高零件的抗氧化、耐腐蝕和耐磨等性能。

本文探索了直流電場(chǎng)粉末鋁鉻共滲新技術(shù)，即研究了在滲劑與被滲試樣間施加直流電場(chǎng)所獲得的鋁鉻共滲層的組織和性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為45鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為 0.46C, 0.17Si, 0.52Mn，0.031S, 0.032P，其余為Fe。試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，用240～2 000號(hào)砂紙打磨、在無(wú)水乙醇中超聲波清洗和吹干后進(jìn)行粉末鋁鉻共滲。

鋁鉻共滲劑主要由鋁鐵、鉻鐵、氯化銨和石英砂組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、20%、2%和48%。鋁鐵和鉻鐵分別提供活性鋁原子和活性鉻原子，氯化銨為催化劑，石英砂為填充劑。

圖1為試驗(yàn)裝置的示意圖。將滲箱密封后置于箱式電阻爐中加熱，當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定值后保溫，在兩極間施加直流電場(chǎng)，將試樣作為陰極和陽(yáng)極, 進(jìn)行直流電場(chǎng)粉末鋁鉻共滲。作為對(duì)比，滲箱的上部放置一塊未接電極的參考試樣，即該試樣是進(jìn)行常規(guī)鋁鉻共滲。粉末鋁鉻共滲的工藝參數(shù)見表1。

采用XJG-05金相顯微鏡觀察分析滲層組織并測(cè)量滲層厚度h。采用箱式電阻爐對(duì)原始態(tài)試樣和經(jīng)不同工藝鋁鉻共滲的試樣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，研究試樣的抗高溫氧化性能，試驗(yàn)溫度為1 000 ℃，每10 h稱重一次。采用浸泡法研究試樣的耐腐蝕性能，將經(jīng)鋁鉻共滲的試樣放入體積分?jǐn)?shù)為10%的H2SO4溶液中，每120 min稱重一次。采用T-114型電子天平，測(cè)量精度為0.000 1 g。

1-滲箱蓋, 2-陰極試樣,3-熱電偶, 4-測(cè)溫裝置, 5-陶瓷保護(hù)管, 6-電壓可控直流電源, 7-導(dǎo)線, 8-粉末鋁鉻共滲劑容器, 9-粉末鋁鉻共滲鋁劑, 10-陽(yáng)極試樣,11-密封材料, 12-參考試樣

圖1 粉末鋁鉻共滲裝置示意圖
Fig.1 Schematic of the apparatus for powder aluminochromizing

表1 粉末鋁鉻共滲工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of the powder aluminochromizing

2 結(jié)果與討論

2.1 滲層的組織和厚度

圖2為以不同工藝參數(shù)鋁鉻共滲的45鋼試樣的滲層組織?？梢钥闯?，共滲溫度和時(shí)間相同條件下，施加直流電場(chǎng)可顯著增加粉末鋁鉻共滲層的厚度。750 ℃共滲3 h，常規(guī)鋁鉻共滲層的厚度約為30 μm，而施加4 A電流后，滲層厚度達(dá)到了約120 μm，增加了近3倍。

2.2 外加直流電場(chǎng)對(duì)粉末法鋁鉻共滲層抗氧化性能的影響

為了檢測(cè)鋁鉻共滲后試樣的抗氧化性能，對(duì)該45鋼試樣進(jìn)行了800 ℃高溫氧化試驗(yàn)。圖3是用不同工藝鋁鉻共滲的試樣及未經(jīng)鋁鉻共滲試樣的高溫氧化動(dòng)力學(xué)特性?？梢钥闯?，45鋼經(jīng)直流電場(chǎng)鋁鉻共滲后，其抗高溫氧化性能得到了顯著改善。同時(shí)，當(dāng)共滲溫度和時(shí)間相同時(shí)，采用傳統(tǒng)方法鋁鉻共滲試樣的抗高溫氧化性并沒(méi)有明顯改善。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法獲得的共滲層較薄，容易高溫氧化分解。經(jīng)直流電場(chǎng)鋁鉻共滲的試樣，滲層較厚，有效減小了高溫環(huán)境對(duì)基體的影響。

圖3 未經(jīng)鋁鉻共滲和鋁鉻共滲的45鋼試樣的高溫氧化動(dòng)力學(xué)特性Fig.3 High temperature oxidation kinetic characteristics of the 45 steel specimens powder aluminochromized and not powder aluminochromized

2.3 外加直流電場(chǎng)對(duì)粉末鋁鉻共滲層耐腐蝕性能的影響

為了檢測(cè)鋁鉻共滲試樣的耐蝕性能，對(duì)該45鋼試樣進(jìn)行了耐10% H2SO4溶液腐蝕的試驗(yàn)。圖4是不同工藝鋁鉻共滲的45鋼試樣及原始態(tài)試樣的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線?？梢钥闯?，經(jīng)不同工藝鋁鉻共滲后，45鋼試樣在10%H2SO4溶液中的耐腐蝕性能都得到了明顯的改善。這是因?yàn)榻?jīng)鋁鉻共滲處理后，滲層阻礙了基體與腐蝕環(huán)境的直接接觸。圖4還表明，當(dāng)共滲溫度和時(shí)間相同時(shí)，直流電場(chǎng)鋁鉻共滲的試樣比傳統(tǒng)工藝共滲的試樣具有更好的耐腐蝕性能，原因是前者形成的共滲層更厚更致密。

圖4 未經(jīng)鋁鉻共滲和鋁鉻共滲的45鋼試樣的腐蝕動(dòng)力學(xué)特性Fig.4 Corrosion kinetic characteristics of the 45 steel specimens powder aluminochromized and not powder aluminochromized

3 結(jié)論

(1)外加直流電場(chǎng)可降低45鋼粉末鋁鉻共滲溫度，促進(jìn)滲層形成。

(2)施加4 A電流的直流電場(chǎng)于750 ℃共滲3 h的 45鋼滲層厚度為120 μm，而常規(guī)鋁鉻共滲層厚度僅為30 μm左右，前者比后者深了近3倍。

(3)45鋼經(jīng)直流電場(chǎng)鋁鉻共滲后，抗高溫氧化性能得到了顯著改善。但傳統(tǒng)鋁鉻共滲改善抗高溫氧化性能的效果不明顯。

(4)經(jīng)不同工藝鋁鉻共滲后，45鋼在10%H2SO4溶液中的耐蝕性能得到了顯著改善，施加直流電場(chǎng)后滲層的耐蝕性能更好。