[发明专利]一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及合金表面涂层制备技术，更具体的说，是一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法。

【背景技术】

众所周知，在一般使用条件下，钢铁材料的失效多源于表面。表面涂层强化技术可以使材料表面的成分、组织、结构发生变化，提高表面性能，不但可以延长材料使用寿命，也可以避免采用高成本的材料。金属表面渗铬(Cr)、渗硅(Si)可以明显提高金属材料的耐蚀性、抗高温氧化、抗渗碳性能，并具有抑制铁镍元素催化效应等作用，目前已得到一定的应用。对于低碳钢，渗铬较容易实现，但对于中高碳钢及高合金钢，随着Cr向炉管合金内部的扩散渗入，在其内部必然形成一定量的碳化物，这将降低Cr扩散速度和数量，影响涂层的质量。并且研究发现，元素Cr在奥氏体组织中的扩散速度明显低于在铁素体中的扩散速度。而工程上常用的HP40、HK40、316等材料在常温及高温下均为奥氏体组织，这类材料的渗铬更为困难。为加快Cr的扩散速度，目前在工艺上采取Cr、Si共渗技术，在渗Cr过程中加入Si元素，Si可降低合金表面局部的C含量，伴随着组织由奥氏体转变为铁素体，有利于Cr的扩散渗入。

但是，在元素扩散过程中，由于Cr、Si、Fe扩散速度不相同，Si的扩散系数比Fe大，存在原子扩散的柯肯达尔效应。在Cr、Si扩散的同时伴随着空洞的出现，导致涂层内有大量孔隙，涂层不致密，脆性增大，甚至还会引起涂层脱落，严重影响使用性能。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种合金表面铬硅共渗渗剂及涂层制备方法，获得结合力好，均匀致密、无孔隙的铬硅涂层，涂层制备工艺简单、操作方便、易于实现，适于生产和工业应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种合金表面铬硅共渗渗剂，其包括以下重量百分比的组分粉末：

铬：12～25％；

硅铁合金：5％～20％；

钛：1～5％；

碱土金属氧化物：5～10％；

活化剂：0.5～3.5％；

氧化铝：余量。

所述的碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁中的一种或者两种混合物。

所述的活化剂为氯化铵、氟化钠中的一种或两种混合物。

所述的组分粉末粒度为150～400目。

组分钛、氧化镁和氧化钙作为硅元素扩散速度调节剂，避免元素扩散过程产生孔隙。

一种合金表面铬硅共渗涂层的制备方法，其具体步骤为：

步骤(1)：按重量百分比称取各组分粉末，将其搅拌混合均匀后放入渗箱；

步骤(2)：将除油除锈后的待渗零件埋入渗剂中并压实，用耐火泥密封渗箱，在100℃～120℃烘干1～2小时；

步骤(3)：将烘干后的渗箱置于高温马弗炉中，在850℃～1250℃的温度下进行包埋共渗处理，随炉冷却后取出。

在所述步骤(1)中氧化铝粉末在使用前经1000℃～1200℃温度煅烧处理2～3小时。

在所述步骤(2)中渗箱有多个试样时，相邻平行试样之间的距离不小于15mm，工件距离渗剂顶部或底部不小于20mm。

在所述步骤(3)中，采用两步法加热工艺，首先加热至800℃～950℃保温2～5小时，然后加热至1000℃～1250℃保温3～6小时，升温速度为5℃～10℃/min。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明的渗剂配方创新在于采用钛及碱土金属氧化物氧化镁和/或氧化钙。当共渗反应进行时，Si在Fe中以置换形式形成置换固溶体，活性硅原子向工件内部扩散是以空位机理进行的。Si向内部扩散的同时，还进行着铁原子由内部向外的扩散，因而在工件表层存在着硅-铁的互扩散偶。特别是在扩散前沿，硅的浓度梯度最大。因此，在常规渗铬硅工艺中，硅-铁互扩散区域要发生严重的柯肯达尔效应，导致扩散层中出现微孔。随着渗硅层中出现γ→α相变，产生相变应力，扩散层前沿形成的微小孔更易于聚集长大，出现明显的孔洞。

本发明渗剂体系中，钛(Ti)元素的存在，一定程度上降低了Si的扩散速度，使得Fe、Si扩散速度相匹配。同时，在渗剂中添加的氧化镁和氧化钙与Si相互作用，形成钙和镁的硅化物，可使合金表面上的活性硅原子浓度降低，创造渗硅最佳条件。Si的吸附速度低于它向工件表面深处的扩散速度，在局部表层，Si和Fe的互扩散量相近，有效的避免由柯肯达尔效应产生的孔隙，获得致密的涂层组织。