球墨鑄鐵熱浸鍍鋁的擴散行為

史曉萍， 孟君晟

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150022)

鑄鐵以其熔煉簡便、成本低廉的特點，被廣泛應用于模具的生產(chǎn)制造中;作為模具又常被使用于高溫條件下。鑄鐵高溫抗氧化能力較差，在800～900 ℃的使用條件下極易發(fā)生氧化反應，因此，當鑄鐵作為高溫模具使用時其壽命較短［1－6］。為了提高鑄鐵的抗高溫氧化能力，學者們作了許多研究和實踐［7－10］，劉邦津［7］、陳軍［8］研究了熱浸鍍的性能及用途，認為熱浸鍍鋁涂層具有良好的抗高溫氧化性。筆者在大量研究的基礎上，以模具的使用特點為背景，探討熱浸鍍鋁微弧氧化涂層在高溫下的抗氧化能力。

1 實驗材料與方法

基體材料為球墨鑄鐵，尺寸規(guī)格φ20 mm ×6 mm，中間鉆孔φ4 mm。

采用熔劑法對球墨鑄鐵進行熱浸鍍鋁。工藝參數(shù):時間10 min，溫度(750 士10)℃。工藝路線:試樣→砂紙打磨→堿洗→水洗→酸洗→水洗→助鍍→烘干→熱浸鍍。

擴散溫度為600 、700 、800 、900 ℃，擴散時間為1 、2 、3 h。

2 實驗結果與分析

2．1 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁組織與形貌

球墨鑄鐵熱浸鍍鋁后，對得到的試樣進行線切割，采用掃描電鏡進行截面線掃描，掃描能譜如圖1所示。

圖1 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁截面線掃描能譜Fig．1 Line scanning of elements along crosssection of HDA ductile iron

由圖1 可以看出，球墨鑄鐵進行熱浸鋁后，得到的鍍層共分為兩層，上層為灰黑色，從能譜中可以看出，主要成分為Al 元素。圖1a 中，上層中存在若干針狀物質(zhì)，對針狀物質(zhì)進行點掃描，其截面形貌及成分見圖2 及表1。點掃描能譜表明，針狀物質(zhì)的主要化學成分為Fe 和Al，可以確定，上層為含有微量Fe-Al 化合物的富鋁層。靠近基體的為下層，顏色呈灰白色，從線掃描能譜中可以看出，主要化學成分為Fe 和Al。根據(jù)Fe-Al 相圖分析，在球墨鑄鐵熱浸鍍鋁的過程中，球墨鑄鐵與熔融的液態(tài)鋁相接觸，鐵原子和鋁原子在高溫下發(fā)生相互擴散，在相界面處Fe 和Al 發(fā)生化學反應，生成Fe-Al 金屬間化合物，通過保溫一定時間之后，便生成了具有一定厚度的擴散層。整個鍍層呈舌狀并嵌入球墨鑄鐵基體，與基體相連緊密，結合狀態(tài)良好。

圖2 熱浸鍍鋁富鋁層截面形貌Fig．2 Cross-section of HDA coatings

表1 圖2 中測點的成分分析Table 1 Composition of point in fig．2

熱浸鍍鋁試樣鍍層的XRD 分析圖譜見圖3。經(jīng)標定認為，鍍層由Al、FeAl3和Fe2Al5三相組成。

圖3 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁鍍層XRD 物相分析Fig．3 X-ray diffraction diagram of HDA coatings

在浸鍍的過程中，鐵鋁原子發(fā)生相互擴散，引起一定的濃度起伏，在降溫過程中，富鋁層中極易出現(xiàn)FeAl3相，由此認為，富鋁層中的針狀物質(zhì)為FeAl3相。結合對球墨鑄鐵熱浸鍍鋁鍍層的XRD 物相分析，以及對鍍層形成機理的分析，可以確定金屬間化合物擴散層主要由FeAl3和Fe2Al5兩種物相組成，擴散層形態(tài)呈舌狀并嵌入球墨鑄鐵基體。

2．2 熱浸鍍鋁層高溫擴散行為

圖4 為熱浸鍍鋁試樣在700 ℃下不同擴散時間的截面形貌。從圖4 中可以明顯地看出，在相同溫度下，隨著時間的增加，純鋁層在逐漸的減少，合金層逐漸加厚。

圖4 700 ℃擴散溫度下截面形貌Fig．4 Cross sectional SEM microstructure of diffusion treated at 700 ℃

圖5 為熱浸鍍鋁試樣在不同溫度下擴散3 h 的截面形貌。從圖5 可以明顯地看出，在相同保溫時間下，提高溫度，Al 元素向Fe-Al 合金層中擴散速度加快，當800 ℃擴散3 h 時，純鋁層消失，合金層在擴散退火過程中顯著增厚。

圖5 不同溫度下擴散3 h 截面形貌Fig．5 Cross sectional SEM diffusion treated for 3 h of different temper

3 結 論

(1)球墨鑄鐵表面采用熱浸鍍鋁的方法，可以獲得一定厚度的鍍層。

(2)球墨鑄鐵熱浸鍍鋁鍍層的組織結構中，鍍層分為表面富鋁層及過渡層，即鋁鐵合金層，過渡層形狀如舌狀指向基體，由FeAl3、Fe2Al5物相組成?；w與鍍層之間為冶金結合，具有很強的結合力。

(3)在相同擴散溫度下，增加保溫時間有利于Al 元素向Fe-Al 合金層擴散。在相同保溫時間下，提高溫度，Al 元素向Fe-Al 合金層中擴散速度加快。

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