45鋼的直流電場催滲粉末鋁鉻共滲

繆小吉 孫 斐 胡 靜,2

(1.常州輕工技術職業學院 機械工程系，江蘇 常州 213164；2.常州大學材料科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

滲鋁能在鋼材表面形成保護滲層，使之具有抗氧化、耐腐蝕等優良性能，從而在某些特殊環境下可以用滲鋁的普通碳鋼代替不銹鋼[1-2]。滲鉻也能在鋼材表面形成保護滲層，使之具有耐磨、抗氧化、耐腐蝕等綜合性能，從而可采用滲鉻的普通碳鋼代替高合金工具鋼、不銹鋼或其他特殊合金。因此，滲鋁和滲鉻都具有重要的工程應用價值[3-4]。

粉末滲金屬操作簡便、成本低、工藝易于控制、滲層質量好，但傳統的粉末滲工藝溫度高(一般都在1 000 ℃以上)、時間長，能耗較大，滲劑利用率不高，成本較高。為此，業已研發了包括機械能助滲的多種新工藝[5-6]。近年來的研究發現，施加直流電場對粉末滲工藝具有顯著的催化作用[7-9]。

隨著制造業的發展，對工件表面性能的技術要求也不斷提高。很多情況下，滲入單一元素已不能滿足越來越高的技術要求，需采用多元共滲技術以發揮多種元素的綜合優勢。因此，多元共滲應運而生，即在一種工藝條件下，將鋁和鉻等兩種或更多元素同時滲入零件。共滲的目的是發揮每種元素的優勢，進一步提高零件的抗氧化、耐腐蝕和耐磨等性能。

本文探索了直流電場粉末鋁鉻共滲新技術，即研究了在滲劑與被滲試樣間施加直流電場所獲得的鋁鉻共滲層的組織和性能。

1 試驗材料與方法

試驗材料為45鋼，其化學成分(質量分數，%)為 0.46C, 0.17Si, 0.52Mn，0.031S, 0.032P，其余為Fe。試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，用240～2 000號砂紙打磨、在無水乙醇中超聲波清洗和吹干后進行粉末鋁鉻共滲。

鋁鉻共滲劑主要由鋁鐵、鉻鐵、氯化銨和石英砂組成，其質量分數分別為30%、20%、2%和48%。鋁鐵和鉻鐵分別提供活性鋁原子和活性鉻原子，氯化銨為催化劑，石英砂為填充劑。

圖1為試驗裝置的示意圖。將滲箱密封后置于箱式電阻爐中加熱，當爐溫達到設定值后保溫，在兩極間施加直流電場，將試樣作為陰極和陽極, 進行直流電場粉末鋁鉻共滲。作為對比，滲箱的上部放置一塊未接電極的參考試樣，即該試樣是進行常規鋁鉻共滲。粉末鋁鉻共滲的工藝參數見表1。

采用XJG-05金相顯微鏡觀察分析滲層組織并測量滲層厚度h。采用箱式電阻爐對原始態試樣和經不同工藝鋁鉻共滲的試樣進行長時間高溫加熱，研究試樣的抗高溫氧化性能，試驗溫度為1 000 ℃，每10 h稱重一次。采用浸泡法研究試樣的耐腐蝕性能，將經鋁鉻共滲的試樣放入體積分數為10%的H2SO4溶液中，每120 min稱重一次。采用T-114型電子天平，測量精度為0.000 1 g。

1-滲箱蓋, 2-陰極試樣,3-熱電偶, 4-測溫裝置, 5-陶瓷保護管, 6-電壓可控直流電源, 7-導線, 8-粉末鋁鉻共滲劑容器, 9-粉末鋁鉻共滲鋁劑, 10-陽極試樣,11-密封材料, 12-參考試樣

圖1 粉末鋁鉻共滲裝置示意圖
Fig.1 Schematic of the apparatus for powder aluminochromizing

表1 粉末鋁鉻共滲工藝參數Table 1 Process parameters of the powder aluminochromizing

2 結果與討論

2.1 滲層的組織和厚度

圖2為以不同工藝參數鋁鉻共滲的45鋼試樣的滲層組織?？梢钥闯?，共滲溫度和時間相同條件下，施加直流電場可顯著增加粉末鋁鉻共滲層的厚度。750 ℃共滲3 h，常規鋁鉻共滲層的厚度約為30 μm，而施加4 A電流后，滲層厚度達到了約120 μm，增加了近3倍。

2.2 外加直流電場對粉末法鋁鉻共滲層抗氧化性能的影響

為了檢測鋁鉻共滲后試樣的抗氧化性能，對該45鋼試樣進行了800 ℃高溫氧化試驗。圖3是用不同工藝鋁鉻共滲的試樣及未經鋁鉻共滲試樣的高溫氧化動力學特性。可以看出，45鋼經直流電場鋁鉻共滲后，其抗高溫氧化性能得到了顯著改善。同時，當共滲溫度和時間相同時，采用傳統方法鋁鉻共滲試樣的抗高溫氧化性并沒有明顯改善。這是因為傳統方法獲得的共滲層較薄，容易高溫氧化分解。經直流電場鋁鉻共滲的試樣，滲層較厚，有效減小了高溫環境對基體的影響。

圖3 未經鋁鉻共滲和鋁鉻共滲的45鋼試樣的高溫氧化動力學特性Fig.3 High temperature oxidation kinetic characteristics of the 45 steel specimens powder aluminochromized and not powder aluminochromized

2.3 外加直流電場對粉末鋁鉻共滲層耐腐蝕性能的影響

為了檢測鋁鉻共滲試樣的耐蝕性能，對該45鋼試樣進行了耐10% H2SO4溶液腐蝕的試驗。圖4是不同工藝鋁鉻共滲的45鋼試樣及原始態試樣的腐蝕動力學曲線?？梢钥闯?，經不同工藝鋁鉻共滲后，45鋼試樣在10%H2SO4溶液中的耐腐蝕性能都得到了明顯的改善。這是因為經鋁鉻共滲處理后，滲層阻礙了基體與腐蝕環境的直接接觸。圖4還表明，當共滲溫度和時間相同時，直流電場鋁鉻共滲的試樣比傳統工藝共滲的試樣具有更好的耐腐蝕性能，原因是前者形成的共滲層更厚更致密。

圖4 未經鋁鉻共滲和鋁鉻共滲的45鋼試樣的腐蝕動力學特性Fig.4 Corrosion kinetic characteristics of the 45 steel specimens powder aluminochromized and not powder aluminochromized

3 結論

(1)外加直流電場可降低45鋼粉末鋁鉻共滲溫度，促進滲層形成。

(2)施加4 A電流的直流電場于750 ℃共滲3 h的 45鋼滲層厚度為120 μm，而常規鋁鉻共滲層厚度僅為30 μm左右，前者比后者深了近3倍。

(3)45鋼經直流電場鋁鉻共滲后，抗高溫氧化性能得到了顯著改善。但傳統鋁鉻共滲改善抗高溫氧化性能的效果不明顯。

(4)經不同工藝鋁鉻共滲后，45鋼在10%H2SO4溶液中的耐蝕性能得到了顯著改善，施加直流電場后滲層的耐蝕性能更好。