1 引言 镀锰层经过后处理在表面能形成一层抗蚀的含氧锰化合物 ,具有优良的耐蚀性 ,特别是在含有氯化物的介质中 ,耐蚀性更好。盐雾试验表明 ,镀锰层的腐蚀速度仅为镀锌层的1/ 12 5。水泥的 ｐＨ值大约为ｐＨ10～ 12 ,锌表面易生白锈 ,耐蚀性降低。而锰在 ｐＨ12左右时能生成稳定的钝化膜。将直径为 9 5ｍｍ的异型钢筋埋入10 0ｍｍ× 30 0ｍｍ的水泥中制成试样 ,在水中浸泡 2 8天后 ,对水泥施加应力 ,使其产生裂纹。再将试样放进 3 %盐水中 ,于常温浸泡 16ｈ后 ,在 2 0℃干燥8ｈ ,这样干湿反复试验 90次。热镀锌 40 0ｇ/ｍ2 锌层和 2 0 0 μｍ环氧树脂涂层的钢筋都生锈腐蚀 ,而 3 0 μｍ和 5 0 μｍ镀锰层的钢筋却性能良好 ,未生锈<1> 。可见镀锰钢筋可能成为用于接触海水等水泥建筑中的重要钢材。文献 <2 >试验了高碳钢渗锰 ,获得高硬度锰的碳化物渗层 ,具有良好的耐磨性。本文是在机械能助渗铝、渗铜等金属的基础上 ,研究开发了机械能助渗锰 ,将渗锰温度由常规的 10 0 0℃降低到 30 0℃。2 试验内容 用自制的小型机械能助渗装置 ,开发出机械能助渗锰剂 ,在此基础上 ,以 2 0钢、45钢和Ｔ10钢系统地研究了机械能助渗锰的工艺。用光学显微镜和ＪＸＡ 840扫描电子显微镜进行渗锰层组织分析 ;用ＳｈｉｍｄｚｕＭ显微硬度计测量渗锰层的显微硬度 ;用Ｄ ＭＡＸ型Ｘ射线衍射仪 (Ｃｕ靶 )分析了渗锰层的相组成。3 试验结果及其分析3 1 渗锰温度对渗层厚度的影响开始时参考渗其它金属工艺 ,渗锰温度设定为 5 2 0℃ ,但是渗层厚 ,脆性大 ,磨试样易剥落 ,难以得到完整的渗层 ,致使测试的渗层厚度数据波动太大。随后选用 46 0℃以下进行试验。表 1列出 46 0℃以下 ,保温 4ｈ所得的渗锰层厚度数据。表 1 不同温度下保温 4ｈ的渗锰层厚度 / μｍＴａｂｌｅ 1 Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｍａｎｇａｎｉｚｅｄｌａｙｅｒｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒ 4ｈ渗锰温度 /℃ 30 0 32 0 340 4 2 0 4 602 0钢45钢Ｔ1 0钢301 2 02 0--304 0604 0841 0 01 301 0 04 04 8 可见 ,渗锰温度高于 42 0℃时 ,渗锰层比较厚 ,脆性比较大 ,易剥落 ,故不宜选用。由于钢筋渗锰要求的渗锰层很薄 ,只需 5～ 8μｍ ,为此将渗锰温度降低到 340℃以下。随着温度降低 ,渗层厚度进一步减薄 ,在 30 0℃ ,4ｈ仍有 2 0～ 30 μｍ ,45钢甚至有 12 0 μｍ厚的渗锰层。机械能助渗锰进一步证明 ,由于运动的粉末粒子的动能激活表面的点阵原子 ,使其脱位产生原子扩散所需的足够数量的空位 ,而将粉末渗锰温度由常规化学热处理的 10 0 0℃<2 > ,降低到 30 0℃ ,降低幅度最大。3 2 渗锰时间对渗层厚度的影响表 2为 2 0钢、
45钢、Ｔ10钢于 30 0℃经不同处理时间所得渗层厚度的数据。由表 2可见 ,随着渗锰时间的延长 ,渗锰层厚度增加 ,但是增加得不快 ,特别是大于 2ｈ以后增加得更小。 45钢的渗锰层特别厚 ,可能与其结构有关。表 2 30 0℃不同渗锰时间的渗层厚度Ｔａｂｌｅ 2 Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｍａｎｇａｎｉｚｅｄｌａｙｅｒｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｉｎ 30 0℃ (μｍ)渗锰时间 /ｈ 1 2 4 6 82 0钢45钢Ｔ1 0钢2 32 01 02 6901 8321 2 02 4361 302 8404 030试验表明 ,机械能助渗锰温度可以很低。选用 30 0℃ ,保温时间 1ｈ ,对渗锰钢筋可以满足要求。研制的机械能助渗锰剂成分简单、用量少、成本低。与电镀锰相比 ,成本可以相近 ,但没有电镀的环境污染。如果用于处理接触海水等介质的水泥建筑用钢筋 ,或代替热镀锌和涂塑处理水管等 ,可能延长其使用寿命 ,取得良好的经济效益和社会效益。3 3 渗锰组织图 1为 2 0钢和 45钢的机械能助渗锰层组织。图 2为Ｔ10钢渗锰层的扫描电子显微镜照片。图 1 渗锰层组织 × 2 0 0(ａ) 2 0钢 (ｂ) 4 5钢Ｆｉｇ 1 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍａｎｇａｎｉｚｅｄｌａｙｅｒｓ × 2 0 0(ａ)ｓｔｅｅｌ2 0 (ｂ)ｓｔｅｅｌ 45图 2 Ｔ10钢渗锰层ＳＥＭ照片 × 2 0 0Ｆｉｇ 2 ＳＥＭｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍａｎｇａｎｉｚｅｄｌａｙｅｒｓｏｆｓｔｅｅｌＴ102 0钢的渗锰层组织由两部分组成 ,靠近基体的为一层黑色组织 ,硬度较高 ;外层为以白色为主的黑白相间组织 ,硬度比较低 ;基体组织为铁素体。 45钢的渗锰层组织与 2 0钢相似 ,也是两层 ,但靠近基体的黑色组织要宽一些 ,外层的黑白相间的组织要薄一些。3 4 Ｘ射线衍射相分析图 3是 2 0钢机械能助渗锰层的Ｘ射线衍射相分析结果。综合金相和Ｘ射线衍射相分析可知 ,2 0钢的渗锰层为α Ｆｅ和 β ＦｅＭｎ4 组成。 图 4是 45钢机械能助渗锰层的Ｘ射线衍射相分析结果。综合金相和Ｘ射线相分析 ,可以认为 45钢的机械能助渗锰层是由屈氏体 (α Ｆｅ+Ｆｅ3Ｃ)和 β ＦｅＭｎ4 组成。图 3 2 0钢渗锰层的Ｘ射线衍射相分析结果Ｆｉｇ 3 Ｘ ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆｍａｎｇａｎｉｚｅｄｌａｙｅｒｏｆｓｔｅｅｌ 2 0图 4 45钢渗锰层的Ｘ射线衍射相分析结果Ｆｉｇ 4 Ｘ ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆｍａｎｇａｎｉｃｅｄｌａｙｅｒｏｆｓｔｅｅｌ 454 结论(1)用自制的机械能助渗装置和研制的机械能助渗锰剂实现了渗锰 ,将渗锰温度由常规化学热处理的 10 0 0℃降低到30 0℃ ,是机械能助渗金属中扩渗温度最低的。在 30 0℃× 1ｈ扩渗可得到 10～ 2 0 μｍ的渗锰层。(2 )机械能助渗锰层是由黑白相间的表面层和黑色带两部分组成 ,表面层是由α Ｆｅ和 β ＦｅＭｎ4 或屈氏体和 β ＦｅＭｎ4组成。(3)机械能助渗锰进一步证明 ,巧用粉末粒子冲击的动能 ,能大幅度降低扩渗温度 ,缩短扩渗时间 ,节能效果十分显著 ,是取代化学热处理的良好新工艺。(4 )机械能助渗锰可能作为接触海水的水泥建筑用钢筋的良好的防护处理手段 ,应继续研究机械能助渗锰的研究@徐英$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@刘晋$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@庄光山$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@孙毅$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@孙希泰$山东工业大学材料学院!山东济南250061
化学热处理;;渗锰;;机械能用扫描电镜、X射线衍射仪和自制的机械能助渗装置 ,研究了机械能助渗锰剂、工艺及渗锰层组织、结构。将渗锰温度由常规化学热处理的 10 0 0℃降低到 30 0℃。在 30 0℃× 1h扩渗可得到 10～ 2 0 μm渗锰层。机械能助渗锰层是黑白相间的表面层和黑色带两部分组成 ,表面层是α Fe加 β FeMn4 或屈氏体与β FeMn4 组成<1 > 顾国成 ,等 .钢铁材料的防蚀涂层
.北京 :科学出版社 ,1 987:1 94 1 96
<2 > 鼓其凤 ,等 .模具钢渗锰 .金属热处理 ,1 991 ,(1 ) :2 8.
<3> 孙希泰 ,等 .机械能助渗铝的研究 .金属热处理 ,2 0 0 0 ,(7) :2 1 2 3 .Ｘ ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆｍａｎｇａｎｉｃｅｄｌａｙｅｒｏｆｓｔｅｅｌ 454 结论(1)用自制的机械能助渗装置和研制的机械能助渗锰剂实现了渗锰 ,将渗锰温度由常规化学热处理的 10 0 0℃降低到30 0℃ ,是机械能助渗金属中扩渗温度最低的。在 30 0℃× 1ｈ扩渗可得到 10～ 2 0 μｍ的渗锰层。(2 )机械能助渗锰层是由黑白相间的表面层和黑色带两部分组成 ,表面层是由α Ｆｅ和 β ＦｅＭｎ4 或屈氏体和 β ＦｅＭｎ4组成。(3)机械能助渗锰进一步证明 ,巧用粉末粒子冲击的动能 ,能大幅度降低扩渗温度 ,缩短扩渗时间 ,节能效果十分显著 ,是取代化学热处理的良好新工艺。(4 )机械能助渗锰可能作为接触海水的水泥建筑用钢筋的良好的防护处理手段 ,应继续研究机械能助渗锰的研究@徐英$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@刘晋$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@庄光山$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@孙毅$山东工业大学材料学院!山东济南250061
@孙希泰$山东工业大学材料学院!山东济南250061化学热处理;;渗锰;;机械能用扫描电镜、X射线衍射仪和自制的机械能助渗装置 ,研究了机械能助渗锰剂、工艺及渗锰层组织、结构。将渗锰温度由常规化学热处理的 10 0 0℃降低到 30 0℃。在 30 0℃× 1h扩渗可得到 10～ 2 0 μm渗锰层。机械能助渗锰层是黑白相间的表面层和黑色带两部分组成 ,表面层是α Fe加 β FeMn4 或屈氏体与β FeMn4 组成<1 > 顾国成 ,等 .钢铁材料的防蚀涂层 .北京 :科学出版社 ,1 987:1 94 1 96
<2 > 鼓其凤 ,等 .模具钢渗锰 .金属热处理 ,1 991 ,(1 ) :2 8.
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