浸鍍時間對熱浸鋁35CrMo鋼鍍層組織影響

郭麗娟,張瀟華,譚 哲,張 強

(中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257000)

2017-06-01

國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(201613386024)

郭麗娟(1986—),女,山東青州人，中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院助教，碩士，主要從事材料表面失效與改性研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.008

浸鍍時間對熱浸鋁35CrMo鋼鍍層組織影響

郭麗娟,張瀟華,譚 哲,張 強

(中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257000)

熱浸鍍鋁是一種能起到表面防護和表面強化的表面處理技術,可提高鋼的耐蝕性。通過35CrMo鋼熱浸鍍鋁試驗,總結出浸鍍時間對35CrMo鋼鍍層組織的影響規(guī)律。結果表明:溫度720 ℃,浸鍍時間在90～450 s時,隨著浸鍍時間的延長,鍍層厚度逐漸增大并趨于平緩。浸鍍時間在180～360 s時,鍍層質量良好。

35CrMo;熱浸鍍鋁;時間;鍍層;組織

35CrMo鋼作為抽油桿常用的材料,其腐蝕和磨損一直都是困擾人們的主要問題[1-2]。鋼材熱浸鍍鋁是將經過預處理的鋼置于高溫熔融鋁液中浸漬適當時間,使鋼基體和鋁液之間發(fā)生擴散和界面反應,在基體表面形成Fe-Al金屬間化合物,從而起到表面防護和表面強化的一種表面處理技術[3- 4]。浸鋁鋼不僅把鋁的耐蝕性和鋼的強度結合起來,使之具有良好的耐蝕性[3- 4];還使之具備較好的耐熱性、對光和熱的反射性等新特性[5- 6]。通過多次試驗研究浸鍍時間對鍍層組織和性能的影響,優(yōu)化試驗工藝,得到較好的鍍層。

1 試驗方法

1.1 試驗用材

試驗所用試樣為Φ28.5 mm、厚度3 mm的軋制態(tài)35CrMo薄圓片,具體成分見表1。熱浸鍍鋁液選用工業(yè)純鋁,具體成分見表2。

表1 試驗材料35CrMo的化學成分 %

表2 試驗中鋁液的化學成分 %

1.2 工藝流程及參數

用溶劑法進行熱浸鍍鋁,薄圓片35CrMo鋼試樣→除油→清洗→除銹→清洗→助鍍→干燥→浸鍍→空冷→制樣→磨樣→組織觀察。綜合考慮工件的用途、尺寸以及鋁液等因素,確定浸鍍時間;并綜合考慮實際生產中的生產效率,最終時間選擇為90、180、270、360和450 s,并通過試驗確定最佳的浸鍍時間。

2 試驗結果及其分析

熱浸鍍鋁后,通過試樣的宏觀表面觀察可發(fā)現:浸鍍溫度為700 ℃時,時間低于270 s會有漏鍍現象;當浸鍍溫度超過760 ℃,時間長于360 s時,表面有黑色熔渣出現,表層質量不好。因此,選定熱浸鍍鋁的浸鍍溫度為720 ℃,浸鍍時間為90、180、270、360、450 s的35CrMo鋼試樣,取試樣橫截面,制成金相試樣,用MDJ200型金相顯微鏡觀察分析鍍層的顯微組織,利用JCT800型測厚儀測定鍍層的厚度。

2.1 熱浸鍍鋁后35CrMo鋼鍍層的組織分析

熱浸鍍鋁后35CrMo鋼組織可明顯分為外層純鋁層、中間合金層和基體3部分。720 ℃,270 s熱浸鍍鋁下35CrMo鋼試樣的微觀形貌如圖1所示。35CrMo鋼試樣的鍍層分布比較均勻,與基體的附著良好,界面清晰。純鋁層和基體之間,淺灰色的區(qū)域為合金層,是Fe-Al金屬間化合物,其中以Fe2Al5為主。軋制態(tài)35CrMo薄圓片經過除油、除銹以后,表面處于無油、無銹的活化態(tài),增加了基體的接觸表面積。當助鍍后的35CrMo鋼浸漬到熔融鋁液中的時候,表層的助鍍劑溶解,活化的鋼基體直接與鋁液相接觸,活性Fe、Al原子就會在鐵基體-液態(tài)鋁液界面發(fā)生相互擴散,并發(fā)生界面反應,從而形成中間的Fe-Al合金層[7-8]。鍍層的最外層為純鋁層,呈“條帶狀”,厚度分布均勻,與合金層的過渡很平緩,主要由純鋁和少量鐵含量比較少Fe-Al金屬間化合物組成。熱浸鍍用鋁液為熔融的純鋁,液體黏度很高,而且表層的粗糙度很大,在試樣的緩慢的提拉過程中,試樣表層沉積了比較厚的純鋁層。

圖1 720 ℃,270 s熱浸鍍鋁下35CrMo鋼試樣的微觀形貌

2.2 浸鍍時間對35CrMo鋼鍍層組織的影響

35CrMo鋼熱浸鍍鋁,最終選擇的時間為90、180、270、360、450 s。35CrMo鋼在不同浸鍍時間下鍍層的微觀形貌如圖2所示。圖2(a)為90 s時鍍層的微觀形貌,其中鋁層較薄、合金層極薄幾乎看不到,且存在漏鍍現象,鍍層與35CrMo鋼基體的結合也不好,有比較明顯的裂縫,鍍層容易脫落。圖2(b)是180 s時的鍍層,鋁層變厚且無漏鍍,合金層的厚度明顯增加。圖2(c)為270 s時的鍍層,鋁層和合金層的厚度繼續(xù)增加。圖2(d)為360 s時的組織形貌,鋁層的厚度基本不變,合金層更致密。圖2(e)為450 s時的微觀組織形貌,鋁層的厚度雖然增加,但孔洞增多,合金層開始不均勻,存在比較薄的區(qū)域。

圖2 不同時間下35CrMo鋼熱浸鋁試樣的微觀形貌

當浸鍍時間處于180～450 s時間段內時,35CrMo鋼鍍層質量均比較好,鍍層分布均勻,且沒有漏鍍、空洞和裂紋。分析原因如下:35CrMo試樣沒有被放入鋁液前,試樣表層的溫度僅為室溫,而鋁液的溫度為720 ℃,試樣表層的溫度遠低于高溫鋁液。所以當35CrMo試樣進入鋁液時,會瞬間在試樣表面形成一層純鋁凝固層。若浸鍍時間較短,凝固層不易熔化,會阻礙35CrMo鋼基體與鋁液的接觸,從而使得鍍層不均勻,產生漏鍍現象。隨著浸鍍時間的延長,凝固層會慢慢消失,鋁液便可與35CrMo鋼基體充分接觸,從而使得鍍層表面平坦光滑。由此可知,浸鍍鋁時間不能太短,否則會產生漏鍍現象。

綜上,當浸鍍時間為90～120 s時,35CrMo試樣鍍層的純鋁層隨著浸鍍時間延長,純鋁層的厚度幾乎不變,但浸鍍時間較短時,純鋁層組織不均勻。35CrMo試樣鍍層的合金層與鋼基體的界面不平整,呈“鋸齒”狀,且合金層的厚度隨著浸鍍時間的延長呈增加趨勢。這是因為,Fe-Al合金層是通過擴散形成的,浸鍍時間越長,元素擴散反應時間越長,生成的合金層就會越厚。但是當浸鍍達到450 s時,合金層與純鋁層之間存在細小裂紋,使得鍍層質量不理想。由此可知,浸鍍時間對鍍層影響顯著,浸鍍時間不能太短也不能太長,在本試驗條件下,浸鍍時間在180～360 s時是比較適宜的。

2.3 浸鍍時間對35CrMo鋼鍍層厚度的影響

為了進一步研究,本文又用測厚儀測量了90、180、270、360和450 s下35CrMo鍍層的厚度,當720 ℃浸鍍時35CrMo鋼鍍層厚度隨浸鍍時間的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 720 ℃下浸鍍時間對35CrMo鋼鍍層厚度的影響

從圖3中可見,初始時35CrMo鋼鍍層厚度增加幅度最大,隨時間的延長,鍍層厚度增加幅度會逐漸減小。這是由于試樣最初進入鋁液時,基體與鋁液直接接觸,反應速率大;隨著反應的進行,表面形成的擴散層相當于一層保護膜,阻礙了試樣與熔融鋁合金液的接觸,從而減緩鋁液對試樣的浸潤,使浸

潤速率降低,從而浸鍍層的增加速度變得緩慢。當浸鍍層的溶解速率與生成速率相等時,使得鍍層對元素的擴散阻力保持相對穩(wěn)定,從而鍍層的厚度就不再發(fā)生明顯的變化。

3 結 論

(1)熱浸鍍鋁后35CrMo鋼鍍層組織分為外層純鋁層和里層Fe-Al合金層,外層為純鋁和少量鐵含量比較少Fe-Al金屬間化合物組成,里層Fe-Al合金層以Fe2Al5為主。

(2)浸鍍溫度為720 ℃條件下熱浸鍍時間為90 s時,試樣表面出現漏鍍現象;熱浸鍍時間在180～360 s時,鍍層質量良好,無缺陷;當浸鍍時間達到450 s時,鍍層有孔洞和細小裂紋,使得鍍層質量降低。浸鍍時間不宜太短或太長。浸鍍時間為360 s時,鍍層質量最佳,熱浸鍍鋁效果最好。

(3)當浸鍍溫度為720 ℃時:浸鍍時間在90～450 s時,隨著浸鍍時間的延長,35CrMo試樣表面的鍍層厚度逐漸增大,當180 s后,因浸鍍層的溶解速率與生成速率相等,鍍層厚度趨于平緩。因此,浸鍍時間對鍍層厚度的影響顯著。

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[責任編輯]劉慶