專利名稱：鋼鐵材料表面制備Fe－Al金屬間化合物層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，屬于金屬材料表面冶金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Fe-Al基金屬間化合物具有比重小、彈性模量高、抗氧化、抗硫化、耐熱腐蝕等一系列優(yōu)異的性能特點。同各種不銹鋼、鈷基和鎳基高溫合金相比，F(xiàn)e-Al在高溫腐蝕環(huán)境中，特別是在沖蝕條件下使用具有獨到的優(yōu)勢。用作高溫結(jié)構(gòu)材料，室溫脆性(延伸率＜5％)和溫度超過500℃后材料強度急劇下降，是限制其工業(yè)應用的兩大主要障礙。為解決這一問題，多年來材料工作者進行了大量的研究和探索。在對Fe3Al的力學行為、腐蝕行為及其組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)的相變過程的研究上取得了許多研究成果，對這種材料的環(huán)境脆性問題的研究也取得了一定的進展，通過調(diào)整合金的成分和組織結(jié)構(gòu)能夠有效地提高其強度和塑性。但是由于成本和加工工藝性等一系列問題，F(xiàn)e-Al作為結(jié)構(gòu)材料未能得到廣泛應用。
若將Fe-Al用作高溫結(jié)構(gòu)材料的表面防護涂層，即將材料的高溫耐蝕性和高溫強度分開來考慮，高溫強度由基體材料來承擔，高溫下的腐蝕與磨損由Fe-Al金屬間化合物涂層來防護，這無疑可以大大拓寬Fe-Al材料的應用范圍。
傳統(tǒng)Fe-Al材料一般采用整體熔煉或粉末冶金等方法來制作，由于鐵鋁材料的本質(zhì)脆性，整體Fe-Al合金盡管具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，但不易成形，嚴重制約了其實際應用。如果能利用普通鋼鐵材料作為基體，在成形后的零件上制備表面冶金Fe-Al合金層，既利用了其優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，又避免了成形困難的缺點，且大幅度降低了成本，拓寬了Fe-Al合金的應用范圍。
雙層輝光技術(shù)曾用來在普通鋼鐵材料表面制備鎳鉻耐蝕合金、高速鋼；在鈦合金表面制備耐磨、耐蝕、阻燃合金層等，均取得成功。但要形成Fe-Al合金，按照傳統(tǒng)工藝卻不能成功。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，形成表面FeAl、Fe3Al金屬間化合物層，以在普通鋼鐵材料表面生成耐蝕性能優(yōu)越的合金層。
一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，其特征在于在真空輝光放電裝置中同時設(shè)置兩個陰極，一個稱為源極，另一個被處理的鋼鐵材料工件稱為陰極，爐體為共用陽極，工作氣壓為10-100Pa，源極電壓為100-1200V，陰極電壓為100-600V，極間距為10-30mm，處理溫度為900-1100℃，處理時間為0.5-3小時；其中源極由Al-石墨或Al-Al2O3經(jīng)粉末冶金工藝制成，其中Al-石墨中Al的含量為30-60％，Al-Al2O3中Al的含量為30-60％，在處理前，預先將該源極材料制備成平板狀或格柵狀或并列排狀或根據(jù)工件形狀而仿形制備。
雙層輝光等離子表面合金化工藝過程中源極溫度達到800℃以上，超過純Al的熔點，所以采用傳統(tǒng)工藝，利用純金屬作為源極，不能成功。如果降低源極電流密度從而降低源極溫度，則不能提供足夠的濺射量。本發(fā)明設(shè)計并采用粉末冶金制備Al-石墨或Al-Al2O3兩種Al源極，其中Al的含量為30-60％，其熔點在800℃以上，可以保證源極不熔化且能提供足夠的Al供給量。
傳統(tǒng)工藝中，利用平板狀源極結(jié)構(gòu)，由于供給量不足，制備效果不好。所以根據(jù)需要Al-石墨、Al-Al2O3源極可采用平板，最好采用格柵狀或并列排狀結(jié)構(gòu)，以增大濺射量，也可以根據(jù)工件形狀而仿形設(shè)計，滿足形狀較復雜的零件表面合金層均勻性要求。
根據(jù)合金層成分及厚度要求，通過合理布置源極、陰極位置，并在10～30mm之間調(diào)整陰極、源極間距，以產(chǎn)生空心陰極效應，增加合金元素供給量，提高合金元素滲入速度。
本發(fā)明通過源極材料、源極結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備，既滿足源極溫度要求，又滿足表面合金化對Al原子供給量的要求；通過設(shè)計源極與陰極排列方式和合理的極間距，既增強了源極濺射，又增強了對工件的離子轟擊作用，有利于合金元素的擴散滲入。由源極濺射出的金屬Al離子流轟擊金屬板帶或其零件表面，加熱工件，在工件表面沉積并滲入其內(nèi)部，形成具有優(yōu)良耐磨、耐蝕性能的FeAl、Fe3Al合金層。由該技術(shù)獲得的表面合金層成分呈梯度分布，與基體之間沒有明顯的界線，因而具有充分可靠的結(jié)合強度。又由于FeAl、Fe3Al等脆性相由表及里呈梯度分布，滲層中顯微硬度等力學參量也呈梯度分布，因而，合金層同時具有良好的韌性。由于在普通鋼鐵材料表面制備的Fe-Al合金層其耐蝕性能由于奧氏體不銹鋼，可大量代替不銹鋼而形成一種新的低成本冶金產(chǎn)品。


圖1是45鋼板表面制備的Fe-Al金屬間化合物中Al元素的分布。
圖2是A3鋼板表面制備的Fe-Al金屬間化合物中Al元素的分布。
具體實施例方式采用本發(fā)明在金屬板材或零件表面制備Fe-Al合金層的操作過程如下1.將金屬板材進行酸洗并活化處理后裝爐，源極與工件間距為10～30mm。
2.抽真空至1Pa以下，再反充少量Ar使真空度降至10Pa左右，施加陰極偏壓100～300V，10～30分鐘，以離子轟擊進一步凈化鋼板表面。
3.加大Ar流量，使工作氣壓升至30～50Pa，增大陰極偏壓到300～400V，增大陰極電流密度，使工件溫度升高以進行預熱。
4.接通源極電源，調(diào)節(jié)源極電壓為800～1200，陰極電壓到400～600V，增大陰極電流密度使工件溫度上升到900-1100℃(根據(jù)工藝要求設(shè)定)，在金屬板材與源極之間產(chǎn)生空心陰極效應，源極濺射加強，有利于獲得更高的合金元素在工件表面的沉積速度，從而提高合金層形成效率。
5.維持各工藝參數(shù)并保溫0.5-3小時(根據(jù)合金層成分、厚度等要求確定)。
6.保溫結(jié)束后，降低源極電壓到200-400V，陰極電壓到100-200V，降低氣壓到20Pa，輕微輝光保護降溫。
7.當金屬零件溫度降至200℃以下后，關(guān)閉源極電源、陰極電源，關(guān)閉真空系統(tǒng)并將工件取出。
實施例145鋼板表面制備FeAl金屬間化合物材料，采用粉末冶金制備的Al-Al2O3格柵狀源極，其中含鋁60％，陰極電壓450V，源極電壓980V，極間距15mm，在1000℃下處理2小時，F(xiàn)eAl合金層的厚度可以達到30μm，與基體冶金結(jié)合。輝光放電光譜(GDS)分析表明Al元素濃度呈梯度分布，見圖1。與1Cr18Ni9Ti不銹鋼在同等條件下進行耐腐蝕性能測試，結(jié)果見表1，證明其耐蝕性能超過1Cr18Ni9Ti不銹鋼。
表1 實施例1腐蝕實驗結(jié)果

實施例2A3鋼板表面制備Fe3Al金屬間化合物材料，采用粉末冶金制備的Al-石墨平板源極，其中含鋁30％，陰極電壓430V，源極電壓980V，極間距28mm，在1000℃下處理3小時，F(xiàn)e3Al合金層的厚度可以達到20μm。輝光放電光譜(GDS)分析表明Al元素濃度呈梯度分布，見圖2。與2Cr13不銹鋼在同等條件下進行耐腐蝕性能測試，結(jié)果見表2，證明其耐蝕性能超過2Cr13不銹鋼。
表2 實施例2腐蝕實驗結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種鋼鐵材料表面制備Fe-Al金屬間化合物層的方法，其特征在于在真空輝光放電裝置中同時設(shè)置兩個陰極，一個稱為源極，另一個被處理的鋼鐵材料工件稱為陰極，爐體為共用陽極，工作氣壓為10-100Pa，源極電壓為800-1200V，陰極電壓為100-600V，極間距為10-30mm，處理溫度為900-1100℃，處理時間為0.5-3小時；其中源極由Al-石墨或Al-Al2O3經(jīng)粉末冶金工藝制成，其中Al-石墨中Al的含量為30-60％，Al-Al2O3中Al的含量為30-60％，在處理前，預先將該源極材料制備成平板狀或格柵狀或并列排狀或根據(jù)工件形狀而仿形制備。
全文摘要
一種鋼鐵材料表面制備Fe－Al金屬間化合物層的方法，屬于金屬材料表面冶金技術(shù)領(lǐng)域。該方法特征在于利用雙層輝光技術(shù)，其中利用Al－石墨或Al－Al
文檔編號C23C14/16GK101074476SQ20071002360
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者姚正軍, 張平則, 徐重, 繆強, 包正軍 申請人:南京航空航天大學