1 前言渗铝具有良好的耐蚀性和抗高温氧化性 ,广泛用于汽车排气管、石油化工、海上石油开采、公路护栏等耐蚀件 ,代替不锈钢用于锅炉、换热器、燃烧器、吹氧管、退火罐等耐热件。由于固体渗铝的温度高 ( 90 0～ 1 0 50℃ ) <1 > ,使用较少。辉光离子渗铝温度亦为 950℃<2 > 。现在主要应用热浸镀铝 ,但也存在耗铝量大、炉胆寿命短、成本高等缺点。采用运动粉末粒子的机械能冲击工件表面 ,使粉末渗锌速度提高 6～ 1 0倍<1 > 。在此基础上我们用自制的机械能助渗装置研究了粉末渗铝。在研究机械能助渗铬、硅、锰、铜以及Ｚｎ Ａｌ共渗等 ,均得到相近的结果 ,处理温度都降低到 50 0℃左右 ,为此称其为“机械能助渗处理” ,亦称“化学温处理”。机械能助渗处理的节能效果十分显著 ,产品质量高 ,设备投资低 ,可能成为替代传统化学热处理的新技术。2 试验内容用自制的小型机械能助渗装置 ,开发出机械能助渗用的渗铝剂 ,较系统地研究了它的工艺参数及扩散退火。用光学显微镜和ＪＸＡ 840扫描电镜分析渗层组织 ;用Ｄ ＭＡＸ型Ｘ射线衍射仪 (Ｃｕ靶 )确定渗层相组成 ;测试渗铝层的抗高温氧化性。3 试验结果及其分析3 1 渗铝工艺参数3 1 1 渗铝温度对渗层厚度的影响 由图 1可见 ,机械能助渗铝的渗铝温度降低到 50 0℃左右。试验中 ,经 440℃加热4ｈ ,2 0钢已获得 1 0～ 1 5μｍ的渗铝层 ,Ｔ1 0钢尚未有渗铝层。460℃加热 4ｈ ,Ｔ1 0钢开始有 6μｍ渗铝层 ,而 2 0钢则可达 2 1～ 2 4 μｍ。在 440～ 540℃温度范围内 ,温度影响不大 ,渗层厚度变化不大。渗铝温度提高到 560℃ ,2 0钢的渗层厚度增加到 60～ 75μｍ ;提高到 580℃时则达到 90～ 1 0 0 μｍ。在 560～60 0℃温度范围内 ,温度对渗层厚度的影响也不大。这可能是机械能助渗的一个特点。图 1 2 0钢渗铝温度与渗层厚度的关系曲线 (渗铝时间为 4ｈ)3 1 2 渗铝时间对渗层厚度的影响 由图 2可见 ,1～ 4ｈ ,特别是 1～ 2ｈ内 ,随着时间的增加 ,渗层厚度增加得比较快 ,4ｈ以后渗层厚度的增加十分缓慢。机械能助渗在较短时间内就能得到足够厚的渗层。机械能助渗的生产设备 (尺寸大 )的生产过程也充分证实了这一点 ,保温时间可缩短到 1～ 3ｈ。图 2 2 0钢渗铝时间与渗层厚度的关系曲线 (渗铝温度为 540℃ )实践证明 ,机械能助渗铝不仅可将渗铝温度由常规的950～ 1 1 0 0℃降低到 440～ 60 0℃ ,而且还将加热和保温时间由 1 5ｈ缩短到 4ｈ以内 ,节能效果十分显著 ,能耗仅为常规渗铝的 1 /3～ 1 /5。而且有利于渗铝件的质量提高 ,设备投资和消耗减少。不仅可替代固体渗铝 ,也是替代热浸铝的新工艺。3 2 机械能助渗的理论分析化学热处理 (扩渗处理 ) ,特别是温度较低时 ,大多受扩散过程控制。温度和扩散激活能是决定扩散系数的相关因素。化学热处理时 ,由于扩散激活能大 ,为得到足够的渗速 ,往往需要采用相当高的温度。渗金属时扩散是空位迁移机制。扩散激活能由空位形成功和扩散原子迁移能两部分组成。运动的粉末粒子冲击工件表面时 ,将其所带的机械能 (动能 )传给表面的点阵原子 ,使点阵原子激活脱位 ,形成空位。运动粒子的不断冲击 ,其机械能将使工件表面产生大量扩散所需的空位 ,以取代热激活空位。另外 ,粒子冲击的机械能增加了表面层的空位浓度 ,形成原子稀疏区 ,甚至形成扩散通道 ,改善了扩散原子的行径 ,还能降低扩散原子迁移能。许多研究结果也证明 ,晶体缺陷密度越大 ,扩散激活能越小。正因为粉末粒子冲击的机械能 ,提高了表面层的空位浓度 ,形成原子疏松区 ,致使扩散激活能显著降低 ,那么要求具有足够渗速的扩渗温度则必然大幅度降低。本试验结果则将粉末渗铝由常规的950～ 1 1 0 0℃降低到 440～ 60 0℃ ,渗铝时间也由 1 0ｈ以上减少到 4ｈ以内。随后 ,在渗铬、渗硅、渗锰、渗铜以及Ｚｎ Ａｌ共渗方面也得到相近的结果。因此 ,将用运动的粉末粒子冲击机械能的扩渗处理称为“机械能助渗” ,也称为“化学温处理” ,“温”字借于“温锻” ,以示与传统化学热处理的区别 ,形成新的表面强化技术。应该强调 ,机械能助渗不是将机械能转变为热能的关系 ,而是靠粒子所带的机械能 (动能 ) ,传给表面层点阵原子 ,使其激活脱位形成空位。形成的空位浓度与粒子所带的动能大小和冲击频率等因素有关。为得到扩散所需的空位浓度需用的机械能相对热能来说是很小的。而单纯用热扩散 ,其空位浓度与温度呈指数关系 ,为满足扩散需要 ,则要求加热到相当高的温度。常规化学热处理的能耗主要用于高温加热 ,其中包括炉体加热和散热、夹具和工件整体加热等 ,真正用于扩散所需的能量的比例是很少的。可见 ,机械能助渗是巧用机械能与温度相结合 ,具有十分显著的节能效果 ,是扩渗处理的发展方向。3 3 渗铝层的组织结构3 3 1 渗铝层组织 图 3为 2 0钢机械能助渗铝层的组织。渗铝层与基体组织紧密相接 ,有明显的界线 ,为均一的组织。显微硬度为 42 0ＨＶ 0 .1左右。图 3 2 0钢机械能助渗铝层显微组织 × 2 0 03 3 2 扫描电镜与能谱分析 图 4为 2 0钢机械能助渗铝放大 1 0 0 0倍的ＳＥＭ照片。图 4 2 0钢渗铝层组织ＳＥＭ × 1 0 0 0 表 1列出 2 0钢和Ｃｒ1 8Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢的能谱分析结果。2 0钢机械能助渗铝层的铝含量 (
质量分数 )高达 55%～ 56% ,内外层成分差别不大。Ｃｒ1 8Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢渗铝层的含铝量也高达 50 %以上 ,同时还含有质量分数 8%左右的铬和质量分数 2 %左右的镍。这说明钢基体中的铬和镍部分地进入了渗层。钢中合金元素 ,特别是铬进入渗铝层 ,将进一步提高渗铝层的耐蚀和抗高温氧化能力。表 1 渗铝层的成分钢号 2 0钢Ｃｒ1 8Ｎｉ9Ｔｉ钢含量质量分数 %原子分数 %质量分数 %原子分数 %部位渗层表面成分ＡｌｋＣｒｋＦｅｋＮｉｋ55.724 4.2 8 72 .2 62 7.74 53 .4 98.4 93 5.882 .1 470 .1 95.782 2 .741 .2 9部位渗层内部成分ＡｌｋＣｒｋＦｅｋＮｉｋ56.4 84 3 .52 72 .872 7.1 3 51 .998.753 7.3 61 .8968.906.0 22 3 .921 .1 53 3 3 渗铝层的相结构 图 5为 2 0钢渗铝层的Ｘ射线衍射谱图。经Ｘ射线衍射相分析表明 ,2 0钢渗铝层为斜方结构的Ｆｅ2 Ａｌ5 相。Ｃｒ1 8Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢渗铝层主要也是Ｆｅ2 Ａｌ5 相 ,其中有几个弱峰没有查到 ,可能是与铬镍有关的相。图 5 2 0钢渗铝层的Ｘ射线衍射谱图 (Ｃｕ靶 )3 4 扩散退火为了降低渗铝层的脆性 ,分别于 70 0℃、80 0℃和 90 0℃进行了退火 ,结果如表 2所示。 在 70 0℃进行扩散退火时 ,试样表面颜色和显微硬度不变 ,渗层厚度也增加不多。 80 0℃退火 ,表面颜色变为淡黄 ,显微硬度降低 ,渗层厚度增加 ,并且时间越长变化越大。90 0℃表 2 扩散退火时渗铝层变化 ( 2 0钢 ,540℃× 4ｈ渗铝 )退火温度 /℃ 70 0 80 0 90 0退火时间 /ｈ 4 84 84 8
渗层厚度 /μｍ1 51 860 757584硬度(ＨＶ 0 .1 )4 81 .3～3 64 .34 2 0 .4～3 60 .94 0 1 .2～2 74 .52 85.2～2 3 5.62 50 .6～1 99.82 0 0 .6～1 66.3表面颜色 灰黑黑褐淡黄淡黄淡黄淡黄退火时 ,渗层厚度进一步加大 ,显微硬度继续降低。可见 ,机械能助渗铝的扩散退火可采用 80 0℃× 4ｈ ,要比一般固体渗铝的扩散退火温度 ( 90 0～ 1 1 0 0℃<4> )低 1 0 0～ 30 0℃。图 6为机械能助渗铝层 80 0℃扩散退火后的组织 ,其特点是在表面渗铝层内部存在一个晶粒粗大的扩散层。图 6
渗铝层 80 0℃扩散退火后的显微组织 × 2 0 0由表 3可见 ,70 0℃退火 8ｈ后 2 0钢渗铝层中铝含量减少为质量分数 38%左右 ;80 0℃退火 4ｈ后则减少到质量分数32 % ,仍大于质量分数 30 % ,远远大于抗高温氧化要求的临界浓度 8% <2 > 。表 3 2 0钢渗铝层的能谱成分 (质量分数 )分析结果退火工艺 70 0℃× 8ｈ 80 0℃× 4ｈ分析位置表层内部表层内部Ａｌｋ( % ) 3 9.1 3 3 7.1 73 4 .82 3 0 .0 5Ｆｅｋ( % ) 60 .1 762 .2 2 64 .2 869.0 1 对机械能助渗铝后分别于 70 0℃× 8ｈ和 80 0℃× 4ｈ扩散退火的渗铝层进行Ｘ射线衍射相分析表明 ,两种渗铝层均为ＦｅＡｌ相。3 5 抗高温氧化性将 2 0钢、2 0钢渗铝、Ｃｒ1 8Ｎｉ9Ｔｉ钢和Ｃｒ1 8Ｎｉ9Ｔｉ钢渗铝试样 ,分别装在带盖的坩埚中称重 ,放入空气介质的箱式电阻炉内 ,于 70 0℃、80 0℃、90 0℃加热 1 2 0ｈ ,炉冷后再称重。以单位面积的质量增值表示其抗高温氧化性 ,质量增值越小 ,抗高温氧化性越好。由表 4可见 ,在 70 0℃和 80 0℃的空气介质中加热 1 2 0ｈ ,2 0钢已经氧化比较严重 ,而 2 0钢渗铝试样只发生轻微氧化