特種車(chē)輛連接件復(fù)合粉末滲鋅與鋅鋁共滲工藝對(duì)比

肖林林， 班塞迷塔， 鄭楠楠， 張寶東, 范永哲

(1.北京北方車(chē)輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401)

特種車(chē)輛作業(yè)環(huán)境極其惡劣，履帶連接件經(jīng)常出現(xiàn)“銹死”的現(xiàn)象，正常的方法難以將其拆卸，往往采用破壞性方法將其切斷，不但零部件就此作廢而且浪費(fèi)大量時(shí)間.目前履帶板連接件的表面處理主要是通過(guò)達(dá)克羅或化學(xué)鍍鎳進(jìn)行防腐.達(dá)克羅涂層和化學(xué)鍍鎳層在完好狀態(tài)下，特別是靜態(tài)狀態(tài)(無(wú)摩擦情況)防海水腐蝕效果很好.但是達(dá)克羅涂層，硬度低，約為2H～6H(H為鉛筆硬度測(cè)量單位)，附著力低(<100 MPa)，不耐磨損和磕碰，且涂層的厚度很薄(約從幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米)，往往在履帶組裝時(shí)，螺紋件緊固和端聯(lián)器套裝過(guò)程中，涂層已經(jīng)遭到破壞，已基本失去了防腐蝕功能.

化學(xué)鍍鎳防腐處理鍍層在30 μm以上，才具有較好的防腐效果.為保證螺紋和孔軸裝配精度，化學(xué)鍍鎳層控制在10～15μm時(shí)，不能較好發(fā)揮化學(xué)鍍鎳的防腐效果.鍍層硬度雖高，但與基體結(jié)合為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合力一般<200 MPa.對(duì)于重載，高速工況下的履帶連接件，常常產(chǎn)生鍍層脫落，而使零件失去防腐能力.此外制造成本高.

為了解決此類(lèi)問(wèn)題，將介紹兩種能夠代替達(dá)克羅以及鍍鎳的兩種表面處理方法：復(fù)合粉末滲鋅以及鋅鋁共滲熱化學(xué)表面處理.通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，總結(jié)分析兩種工藝方法的優(yōu)劣性.

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)方法與步驟

復(fù)合粉末滲鋅/鋅鋁共滲工藝流程包括以下3個(gè)階段：1)滲前處理，包括除油、除銹等工序；2)熱滲過(guò)程，包括調(diào)配熱滲爐料、裝爐、加熱、保溫、冷卻、出爐、分離零件,等等；3)滲后處理，包括除塵、拋光、鈍化、涼干等工序.

1.1.1 滲前處理

鋼鐵構(gòu)件在復(fù)合粉末滲鋅以前的表面狀態(tài)和潔凈程度，是保證獲得優(yōu)質(zhì)滲層的重要條件.在粗糙、銹蝕和污染的零件表面上，很難獲得性能良好的滲鋅層，因此在滲鋅前必須將構(gòu)件表面的油污、氧化皮及銹蝕等清除干凈.可以采用有機(jī)溶劑除油、化學(xué)除油、機(jī)械除油和擦拭除油,等一種或多種方法除去零件表面的油污.

本研究采用化學(xué)除油對(duì)試塊和樣件進(jìn)行前處理.化學(xué)除油是利用熱堿溶液對(duì)動(dòng)植物油脂的皂化及各種油類(lèi)(包括礦物油)的乳化作用除去油脂，比有機(jī)溶劑清除徹底，通常用于構(gòu)件酸洗除銹前的處理工序.

1.1.2 滲鋅與鋅鋁共滲工藝選擇

滲鋅過(guò)程包括調(diào)配熱滲爐料、裝爐、加熱、保溫、分離零件等工序.滲鋅劑主要由鋅粉、添加劑和填充載體組成.根據(jù)構(gòu)件表面積和需要鍍的厚度計(jì)算用鋅量，這是控制滲層厚度的一種措施.對(duì)復(fù)合粉末滲鋅，添加劑為納米稀土CeO2或NH4Cl等活化劑，用量為滲鋅劑的1%～2%.填充載體用于防止鋅粉相互粘結(jié)、使鋅粉均勻分布在滲鋅劑中、并有助于構(gòu)件的均勻加熱，在滲鋅容器旋轉(zhuǎn)中使得鋅粉充分與構(gòu)件表面機(jī)械接觸.在進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，填充載體是滲鋅劑的主要組成，其材料為工業(yè)用氧化鋁、石英砂(SiO2)或粘土熟料.

滲鋅/鋅鋁共滲工藝過(guò)程是：將裝有構(gòu)件以及滲劑的密封容器放置在加熱爐中加熱，當(dāng)溫度升高到340～450 ℃時(shí)，保持溫度恒定40～150 min，然后隨爐冷卻至50℃左右.滲鋅的加熱溫度和保溫時(shí)間是決定滲層厚度和質(zhì)量的關(guān)鍵，加熱段速率、加熱方式、最高溫度和保溫時(shí)間等，都會(huì)影響滲層合金化和組織結(jié)構(gòu).

1.2 試驗(yàn)所用材料與設(shè)備

工程化試件制作明細(xì)包括：誘導(dǎo)齒、端聯(lián)器、螺栓樣件及38CrSi、42CrMo和35#鋼樣塊.特種車(chē)輛連接件試樣的大批量試驗(yàn)裝備為電加熱式滲鋅爐，在合適的溫度下保溫合適的時(shí)間，隨后隨爐冷卻.對(duì)試樣的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析研究

2.1 樣塊硬度檢測(cè)對(duì)比

首先進(jìn)行熱處理：38CrSi試樣通過(guò)淬火910 ℃(5～8 min)、回火550 ℃(60～80 min)，達(dá)到硬度HRC32.5～39；42CrMo試樣通過(guò)淬火840 ℃(5～8 min)、回火550 ℃(60～80 min)，達(dá)到硬度HRC32.5～39；35#鋼試樣通過(guò)淬火860 ℃(5～8 min)、回火540 ℃(60～80 min)，達(dá)到硬度HRC18～28.

對(duì)熱處理后的樣塊進(jìn)行硬度檢測(cè)后，分別進(jìn)行滲鋅和鋅鋁共滲，處理后再次進(jìn)行硬度檢測(cè)，詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 樣塊滲鋅以及鋅鋁共滲后硬度參數(shù)對(duì)比

由表1可見(jiàn)，在熱處理回火溫度高于滲鋅、鋅鋁共滲的保溫溫度時(shí)，硬度無(wú)明顯變化，滲鋅、鋅鋁共滲前后硬度均在要求范圍內(nèi)，并無(wú)明顯區(qū)別.

2.2 工程化樣件結(jié)果分析

將此工藝參數(shù)應(yīng)用到工程化樣件中進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果對(duì)滲鋅與鋅鋁共滲的厚度、滲層成分、表面硬度與結(jié)合強(qiáng)度、耐蝕性等方面進(jìn)行分析對(duì)比.

2.2.1 樣件厚度結(jié)果與分析

通過(guò)采用金相顯微鏡以及磁性測(cè)厚儀兩種方法，對(duì)端聯(lián)器滲鋅層和鋅鋁共滲層厚度進(jìn)行檢測(cè)，均在18～30 μm之間且鍍層完整、均勻，滲鋅與鋅鋁共滲無(wú)明顯差別.金相圖以及實(shí)測(cè)厚度值見(jiàn)圖1.

圖1 端聯(lián)器滲鋅以及鋅鋁共滲截面圖片

2.2.2 樣件滲層成分結(jié)果與分析

采用X-射線衍射分方法判斷鋅鋁共滲層中是否含有鋁.采用Rigaku DMAX-RC型X射線衍射儀對(duì)端聯(lián)器樣件平面滲層進(jìn)行物相檢測(cè)分析，確定滲層的物相組成.本試驗(yàn)采用CuKα，λ=1.540 6 ?，步長(zhǎng)0.02，測(cè)試角度為10°～90°.根據(jù)能譜分析可大概了解滲層中鐵鋅等元素的含量以及在各部位的分布情況，并計(jì)算出在滲層中可能存在的物相.再結(jié)合XRD分析結(jié)果，兩者加以對(duì)比，就可準(zhǔn)確得出滲層中含有的物相[1].鋅鋁共滲滲層成分中可知滲層中含有鋁成分，詳見(jiàn)表2.

表2 鋅鋁共滲滲層表面不同點(diǎn)元素組成和相對(duì)含量[1]

2.2.3 滲層表面硬度與結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比

通過(guò)維式硬度計(jì)檢測(cè)端聯(lián)器樣件滲層表面硬度，具體數(shù)值如表3所示.

表3 滲鋅端聯(lián)器樣件以及鋅鋁共滲端聯(lián)器樣件滲層 表面硬度對(duì)比

采用錘擊法進(jìn)行硬度檢驗(yàn)：用1 kg的錘子，距離樣件表面30～50 cm的高度自由落體砸下，滲鋅層未及鋅鋁共滲層均未出現(xiàn)脫落或露出金屬底色等現(xiàn)象.

滲鋅、鋅鋁共滲層屬于冶金金屬鍍層，主要特點(diǎn)是硬度高，耐磨、抗劃傷性能好，與基體金屬的結(jié)合屬于冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高.

2.2.4 硬度結(jié)果分析

對(duì)誘導(dǎo)齒、端聯(lián)器、螺栓樣件分別進(jìn)行切割，對(duì)樣件基體硬度進(jìn)行檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.樣件經(jīng)過(guò)滲鋅或鋅鋁共滲處理后基體硬度符合零件要求.

表4 滲鋅端聯(lián)器樣件以及鋅鋁共滲端聯(lián)器樣件滲層 表面硬度對(duì)比

3 耐蝕性試驗(yàn)

3.1 未鈍化處理滲鋅及鋅鋁共滲樣塊中性鹽霧試驗(yàn)

鋅鋁共滲滲層在鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕初期，滲層表面很快長(zhǎng)滿一層很厚的毛絮狀物質(zhì)，腐蝕產(chǎn)物為ZnO、Zn(OH)2、Zn5(OH)8Cl2H2O、ZnAl2O4、FeOCl以及FeZn7，較之滲鋅層腐蝕產(chǎn)物，多了ZnAl2O4這一相；繼續(xù)腐蝕，滲層上腐蝕產(chǎn)物增厚，上面出現(xiàn)許多細(xì)小的“針葉”狀物質(zhì)，應(yīng)是ZnAl2O4，并且它的含量逐漸增多，對(duì)滲層腐蝕的減緩作用增強(qiáng)；腐蝕后期，微觀形貌為分布均勻的胞狀，上面布滿排列致密的“針葉”狀小顆粒，ZnAl2O4已在滲層表面形成一層致密的保護(hù)層，減緩了腐蝕速率.

在粉末滲鋅中添加鋁元素進(jìn)行共滲后，會(huì)獲得耐蝕性能更加優(yōu)良的滲層.通過(guò)將粉末滲鋅和鋅鋁共滲得到的滲層進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋅鋁共滲的滲層在腐蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的氧化物——尖晶石(ZnAl2O4)，它能夠在滲層表面形成一層致密的保護(hù)層結(jié)構(gòu)，阻斷滲層內(nèi)外物質(zhì)的傳輸交換，有效地降低腐蝕速率[2].另外，較之于鐵元素來(lái)說(shuō)，鋅和鋁的電位要低得多，可以通過(guò)犧牲陽(yáng)極的方式為鋼鐵基體提供保護(hù).并且，鋅和鋁元素均以與鐵的化合物形式出現(xiàn)在滲層中，使得鋅鋁與基體間的電位差大大降低，來(lái)提供保護(hù)作用.除此之外，鋅鋁共滲層是以與基體形成化學(xué)鍵的方式存在，因而和基體有極好的附著力，使得滲層耐蝕性和耐磨性得到顯著改善，比起滲鋅的防腐蝕效果要更佳[1].如表5所示.

表5 滲鋅及鋅鋁共滲未鈍化中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 進(jìn)行后處理的滲鋅與鋅鋁共滲中性鹽霧試驗(yàn)對(duì)比

3.2.1 進(jìn)行封閉處理

為進(jìn)一步提高滲鋅及鋅鋁共滲件的耐蝕性，先任選3個(gè)螺栓滲鋅樣件進(jìn)行封閉處理，與未進(jìn)行封閉處理的螺栓共同進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，效果如圖2所示.

圖2 樣件表面處理狀態(tài)

由圖2能夠看出，在經(jīng)過(guò)240 h的中性鹽霧試驗(yàn)后，未經(jīng)過(guò)封閉后處理的樣件布滿了紅銹，明顯未能通過(guò)鹽霧試驗(yàn)；但是經(jīng)過(guò)封閉后處理的樣件，略有白銹出現(xiàn)，符合要求.

3.2.2 將鈍化與封閉效果進(jìn)行對(duì)比

圖3(a)誘導(dǎo)齒試件為整體鈍化后的鋅鋁共滲層，圖3(b)誘導(dǎo)齒試件左側(cè)為未經(jīng)封閉的滲鋅層，右側(cè)為封閉后的滲鋅層.

圖3 誘導(dǎo)齒鋅鋁共滲經(jīng)過(guò)不同處理中性耐鹽霧對(duì)比

經(jīng)過(guò)240 h中性鹽霧試驗(yàn)后，鋅鋁共滲試件布滿白銹，無(wú)紅銹；滲鋅試件左側(cè)未封閉的部分布滿紅銹，封閉的無(wú)紅銹，有少量白銹.

4 結(jié) 論

滲鋅及鋅鋁共滲的工藝溫度未超過(guò)零件熱處理回火溫度時(shí)，對(duì)38CrSi、42CrMo、35#鋼3種材料基體硬度影響不大.說(shuō)明回火溫度高于450 ℃的零件可以采用滲鋅或鋅鋁共滲處理.滲鋅及鋅鋁共滲工藝形成的滲層均勻，厚度在18～30 μm之間，滿足典型零件的要求.且鋅鋁共滲層中確含有鋁元素.滲鋅及鋅鋁共滲層表面硬度>220 HV，冶金結(jié)合強(qiáng)度在300～350 MPa.

滲鋅與鋅鋁共滲的工藝及性能相近，對(duì)比分析結(jié)果如下：

1)目前滲鋅溫度最低可降低至(350±10) ℃，保溫2～2.5 h；鋅鋁共滲溫度最低可降低至(410±10) ℃，保溫2.5 h.在綜合考慮能耗方面，滲鋅的工藝要優(yōu)于鋅鋁共滲.

2)鋅鋁共滲比滲鋅的耐鹽霧性好.在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作的零部件，鋅鋁共滲的工藝要優(yōu)于滲鋅工藝.

3)封閉層對(duì)滲鋅層起到了很好的保護(hù)作用，大大提高了滲鋅的耐腐蝕性能，保護(hù)作用明顯；耐蝕性能，封閉層比鈍化層更能提供耐蝕性，所以建議零部件要進(jìn)行封閉后處理.