專利名稱：一種基于真空蒸鍍方法的鋁鐵合金化的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及純鋁表面鋁鐵合金化工藝方法，屬高純鋁表面合金化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，金屬表面合金化按實(shí)現(xiàn)手段可分類如下I，改變金屬表面的合金成分。主要有熱擴(kuò)滲、滲鍍等；2，金屬表面覆蓋技術(shù)。主要有精密表面冶金(離子冶金)，涂層表面冶金，薄膜表面冶金等；3，改善金屬表面的金相組織，使表層組織強(qiáng)化，包括感應(yīng)加熱淬火、電子束、激光等高能量密度的表面處理。鋁和鋁合金硬度較低，不宜制造耐磨零件，這大大的限制了它的應(yīng)用范圍，因此，必須采用表面強(qiáng)化技術(shù)，以提高表面硬度，增強(qiáng)耐磨性。鋁和鋁合金薄膜的制備，大致可分為兩大類。一類是非水電解質(zhì)中的電鍍法，如利用有機(jī)溶劑、有機(jī)熔鹽和無機(jī)熔鹽體系可進(jìn)行純鋁和鋁合金薄膜的電沉積；另一類是物理氣相沉積法，如真空蒸鍍、磁控濺射等。與電鍍法相比，由于真空蒸鍍法能在金屬、半導(dǎo)體、絕緣體甚至塑料、紙張等表面沉積出金屬和合金薄膜，加之薄膜的純度高、污染程度小等優(yōu)點(diǎn)，于是在工業(yè)應(yīng)用中的大多數(shù)鋁和鋁合金薄膜都通常采用真空蒸鍍法進(jìn)行制備。工業(yè)純鋁具有鋁的一般特點(diǎn)，密度小，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，抗腐蝕性能好，塑性加工性能好，可加工成板、帶、箔和擠壓制品等，可進(jìn)行氣焊、氬弧焊、點(diǎn)焊。但卻因?yàn)楸韺佑捕?、耐磨性差等因素限制了它的使用。工業(yè)純鋁實(shí)質(zhì)上可以看作是鐵、硅含量很低的鋁一鐵一 硅系合金。在雜質(zhì)相中除了有針狀硬脆的Al3Fe和塊狀硬脆的硅質(zhì)點(diǎn)外，還能形成兩個(gè)三元相，當(dāng)Fe > Si時(shí)，形成a (Fe2SiAl8)相；當(dāng)Si > Fe時(shí)，形成β (FeSiAl5)相。兩相都是脆性化合物，對(duì)塑性危害很大。為了增加純鋁表層的硬度和耐磨性，我們可以在純鋁表面蒸鍍一層鐵鋁合金膜層，由于Al3Fe等金屬間化合物相在鋁鐵合金微觀組織中的存在，可以使鋁鐵合金的表層具有更高的硬度，更好的耐熱、耐磨等優(yōu)良的力學(xué)性能，并且附有鋁鐵合金膜層的純鋁依舊保持了鋁質(zhì)量輕、韌性好易加工的特點(diǎn)。而且，鋁、鐵兩種金屬在地殼中蘊(yùn)藏量極大，分布很廣，是工業(yè)中普遍使用的原材料，價(jià)格較低，因此發(fā)展鋁鐵合金膜層有著廣泛的應(yīng)用和誘人的前景?？墒怯捎阼F在鋁中的固溶度很低，一旦超過固溶極限便在鑄造鋁合金中與鋁及其它合金元素化合形成質(zhì)脆的針狀或片狀相，嚴(yán)重割裂基體，成為應(yīng)力集中源，大大降低鋁合金的力學(xué)性能。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，在鋁合金中的鐵量從O. 25%增至O. 6%時(shí)，其極限強(qiáng)度從370 395 MPa降至260 285 MPa，伸長(zhǎng)率從12% 13%降至3% 4% ;當(dāng)鐵含量超過1%時(shí)，沖擊強(qiáng)度也會(huì)大大降低。此外，粗大的針狀鐵相在凝固過程的早期形成，阻礙了液體金屬在補(bǔ)縮通道的流動(dòng)，造成鑄造缺陷。由此可見，鐵的存在會(huì)使鋁合金的力學(xué)性能大幅度下降。但是，鋁鐵合金膜層的研究必須側(cè)重于增大Fe的含量，以提高其硬度及耐磨、耐熱性能。盡管目前對(duì)于鋁鐵合金及膜層的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，使得鋁鐵合金在某些方面已經(jīng)充分發(fā)揮其有利作用，并在生產(chǎn)中已得到應(yīng)用。但是，采用的快速凝固、離心鑄造等方法，其制備工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、制品尺寸有限，在工業(yè)應(yīng)用上受到一定限制。因此，仍有必要深入研究制造鋁鐵合金的方法。20世紀(jì)初出現(xiàn)的熱噴涂工藝，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外也有人把鐵鋁合金制成粉末，然后用熱噴涂方法進(jìn)行加工，在結(jié)構(gòu)材料表面形成鐵鋁合金涂層使工件能夠應(yīng)用于高溫腐蝕環(huán)境中。本發(fā)明通過一種基于真空蒸鍍的方法實(shí)現(xiàn)純鋁試樣的表面鋁鐵合金化，屬一種新型的高純鋁表面合金化技術(shù)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種純鋁表面鋁鐵合金化的工藝方法。本發(fā)明是一種基于真空蒸鍍方法的鋁鐵合金化的工藝方法，其特征在于具有以下的過程和步驟 a.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
b.將純鋁基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為32(T30 torr，純鋁基體溫度為40°C，蒸鍍溫度為90(Tl000°C ;鍍層厚度為I μ πΓ Ο μ m ;鍍層Fe含量為10% 30% ；
c.將覆蓋招鐵合金層的鋼板置于氫氣氣氛爐內(nèi)；在氫氣氣氛下升溫速率控制在10-200C /min升溫至200-600°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻，最終得到鋁鐵合金鍍層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單易行。通過調(diào)整蒸發(fā)電流和沉積時(shí)間，在不同的蒸鍍速率下制備出不同厚度的Al-Fe合金薄膜。在氫氣氣氛下，高活性鐵原子利用還原時(shí)候高溫環(huán)境均勻的滲入純鋁試樣表面；同時(shí)可以控制納米層厚度來達(dá)到控制表面鐵含量的目的，極大的提高工業(yè)純鋁表面硬度及其耐磨性能。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述如下
實(shí)施例一
1.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
2.將基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為20 torr，基片溫度為40°C，蒸鍍溫度為9500C ;最終表面覆蓋層厚度為I. 8 μ m，其中Fe含量為10%。3.將覆蓋微米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至200°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過耐磨試驗(yàn)測(cè)其耐磨性。實(shí)施例二
I.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
2.將基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99. 99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為20 torr，基片溫度為40°C，蒸鍍溫度為9500C ;最終表面覆蓋層厚度為3. I μ m，其中Fe含量為10%。3.將覆蓋微米層的鋼板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至200°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過耐磨試驗(yàn)測(cè)其耐磨性。實(shí)施例三
1.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
2.將基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為25 torr，基片溫度為40°C，蒸鍍溫度為IOOO0C ;最終表面覆蓋層厚度為4. 5 μ m，其中Fe含量為20%。3.將覆蓋微米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至400°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過耐磨試驗(yàn)測(cè)其耐磨性。 實(shí)施例四
1.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
2.將基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為20 torr，基片溫度為40°C，蒸鍍溫度為9500C ;最終表面覆蓋層厚度為4. 7 μ m，其中Fe含量為20%。3.將覆蓋微米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至600°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過耐磨試驗(yàn)測(cè)其耐磨性。實(shí)施例五
1.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
2.將基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為30 torr，基片溫度為40°C，蒸鍍溫度為9500C ;最終表面覆蓋層厚度為4. 3 μ m，其中Fe含量為30%。3.將覆蓋微米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至600°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過耐磨試驗(yàn)測(cè)其耐磨性。實(shí)施例六
1.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理；
2.將基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程。鍍膜時(shí)，本底真空度為20 torr，基片溫度為40°C，蒸鍍溫度為IOOO0C ;最終表面覆蓋層厚度為7. 8 μ m，其中Fe含量為30%。3.將覆蓋微米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至400°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過耐磨試驗(yàn)測(cè)其耐磨性。然后將處理后的鋁板進(jìn)行維氏硬度測(cè)試并通過塔菲爾試驗(yàn)測(cè)其腐蝕性能。實(shí)施例所的樣品的韋氏硬度以及塔菲爾測(cè)試的比較見下表I。
權(quán)利要求
1. 一種基于真空蒸鍍方法的鋁鐵合金化的工藝方法，其特征在于具有以下的過程和步驟 a.首先將純鋁試樣表面經(jīng)砂紙與金剛砂依次打磨、拋光、水洗、干燥等處理； b.將純鋁基體試樣放入真空鍍膜儀中，蒸發(fā)源采用高純鐵片(99.99%)，并經(jīng)堿洗、水洗、丙酮洗、干燥等預(yù)處理過程；鍍膜時(shí)，本底真空度為2(T30 torr，純鋁基體溫度為40°C，蒸鍍溫度為90(Tl000°C ;鍍層厚度為I μ πΓ Ο μ m ;鍍層Fe含量為10% 30% ； c.將覆蓋鋁鐵鍍層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)；在氫氣氣氛下升溫速率控制在10-200C /min升溫至200 - 600°C，保溫時(shí)間為4h，隨爐冷卻，最終得到鋁鐵合金鍍層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于蒸鍍方法的鋁鐵合金化的工藝方法，屬于高純鋁表面合金化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是通過真空鍍膜儀中，將高純鐵(99.99%)蒸鍍到純鋁基體表面，利用全氫保護(hù)氣氛下高溫環(huán)境均勻的滲入到鋁基體表面，使得表面形成鋁鐵合金膜層，從而達(dá)到通過簡(jiǎn)單的工藝提高鋁塊表面硬度和耐磨性的目的。經(jīng)過測(cè)試，處理后的試樣在硬度和耐磨性方面均有大幅度提高。
文檔編號(hào)C23C14/16GK102864415SQ20121036632
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者鐘慶東, 李珂, 周瓊宇, 劉慧娟, 郁利彬 申請(qǐng)人:上海大學(xué)