球墨鑄鐵熱浸滲鋁工藝研究

吳 笛，張 杰，陳漢卿，高宗華

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) a.質(zhì)量管理處；b.機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.中國石油 蘭州石化分公司 煉油廠，甘肅 蘭州 730060）

球墨鑄鐵是一種高強(qiáng)度鑄鐵材料，是石油開采機(jī)械、化工設(shè)備、工業(yè)用爐等制造中僅次于灰鑄鐵的以鐵代鋼鑄鐵材料。用球墨鑄鐵鑄造的設(shè)備零件能夠滿足相關(guān)行業(yè)需要的受力復(fù)雜、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐強(qiáng)熱和機(jī)械沖擊、耐高溫或低溫以及尺寸穩(wěn)定性等要求。近年來，石化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，對球墨鑄鐵的抗高溫氧化能力和耐高溫腐蝕能力要求不斷提高。通過熱浸滲鋁提高球墨鑄鐵的抗高溫氧化能力和耐高溫腐蝕能力是目前的技術(shù)研究方向之一[1-4]。已有的研究結(jié)果表明，熱浸滲鋁以擴(kuò)散方式在材料表面形成鐵鋁合金層，滲鋁滲層與基體材料結(jié)合良好。球墨鑄鐵熱浸滲鋁工藝分為熱浸鍍鋁和擴(kuò)散2個(gè)過程，為了獲取更多的熱浸滲鋁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究和開發(fā)熱浸滲鋁新工藝，文中設(shè)計(jì)了優(yōu)化試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究確定球墨鑄鐵熱浸滲鋁工藝參數(shù)，分析各項(xiàng)工藝參數(shù)對滲層的影響，研究球墨鑄鐵滲層形成機(jī)理。

1 球墨鑄鐵熱浸滲鋁試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料為QT400-17球墨鑄鐵，其中C、Si、Mn、S、P、Ni 元素 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 依 次 為 3.7%、2.5%、0.3%、小于等于 0.08%、小于等于 0.025%、0.05%。基體材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)為，屈服強(qiáng)度ReL=250 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm=400 MPa、延伸率A=17%。浸鍍液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%的工業(yè)純鋁。

1.2 試驗(yàn)方法及步驟

分6個(gè)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，①切割。將棒材切割為?20 mm×30 mm的試樣，用碳化硅水磨砂紙逐級打磨切割面。②堿洗。試樣清洗吹干后，置于70 ℃的由 NaOH（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%）、Na2SO4（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5%）、Na2CO3（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%）組成的混合水溶液中浸泡20 min，除去切割和打磨留下的表面油脂。③酸洗。常溫下將試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的工業(yè)鹽酸水溶液中浸泡 20 min，然后用水沖洗，除去鑄鐵氧化生成的鐵銹。④助鍍。將試樣在溫度為90℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的ZnCl2水溶液中浸泡10 min后用電吹風(fēng)吹干。⑤熱浸鍍鋁。在坩堝里熔化工業(yè)純鋁3 000 g，完全熔化后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的六氯乙烷除氣，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的NaCl和質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的KCl作覆蓋劑，按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)參數(shù)依次浸鍍試樣。⑥擴(kuò)散處理。對最佳熱浸鍍鋁工藝參數(shù)下浸鍍后的試樣進(jìn)行輕微打磨，去除表面的氧化皮，放入氧化鋁陶瓷坩堝中，將試樣連同坩堝放入箱式加熱爐（型號SLZKQ1600-20）中，分組加熱至預(yù)設(shè)溫度后保溫，達(dá)到預(yù)設(shè)保溫時(shí)間后，隨爐冷卻至室溫。

2 球墨鑄鐵熱浸滲鋁試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

2.1 熱浸鍍鋁試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]

在選定助鍍劑的情況下，決定熱浸鍍鋁鍍層厚度的主要因素有2個(gè)，即浸鍍溫度t1和浸鍍時(shí)間t2。采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究浸鍍時(shí)間、浸鍍溫度與浸鍍層厚度的關(guān)系。熱浸鍍鋁的溫度t1設(shè)定為700～800℃,熱浸鍍鋁的時(shí)間t2設(shè)定為1～9 min。 根據(jù)正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則（有計(jì)劃、合理地在正交表上安排較少的試驗(yàn)次數(shù)，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立各個(gè)變量間的關(guān)系式），對熱浸鍍鋁影響因素進(jìn)行編碼，見表1。

表1 熱浸鍍鋁影響因素編碼

2.2 熱浸鍍鋁試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，在金相顯微鏡下測量不同參數(shù)下9組（每組3個(gè)試樣）試樣的鍍層厚度，求平均值，結(jié)果見表2。

表2 球墨鑄鐵熱浸鍍鋁試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

基于表2，擬合試樣鍍層厚度δ數(shù)據(jù)，得到的回歸方程如下。

對回歸方程進(jìn)行中心化還原處理，其中：

將式（2）代入式（1），得到鍍層厚度 δ與浸鍍溫度t1和浸鍍時(shí)間t2的關(guān)系式如下。

2.3 擴(kuò)散處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)[6-10]

選取擴(kuò)散溫度t3為800～1 000℃，在相同的擴(kuò)散時(shí)間下（設(shè)定為2 h）對試樣進(jìn)行擴(kuò)散處理，研究擴(kuò)散溫度對擴(kuò)散層厚度、擴(kuò)散層組織的影響。在最佳擴(kuò)散溫度確定后，選取擴(kuò)散時(shí)間t4為2～8 h對試樣進(jìn)行擴(kuò)散處理，研究擴(kuò)散時(shí)間對擴(kuò)散層厚度及組織的影響。

3 球墨鑄鐵熱浸滲鋁最優(yōu)工藝參數(shù)確定

3.1 浸鍍溫度

分析不同浸鍍溫度下鍍層厚度的變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著浸鍍溫度的升高，鍍層的厚度增加，鍍層的厚度包括鋁層厚度和合金層厚度，當(dāng)溫度持續(xù)升高，鐵鋁原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，鍍層中擴(kuò)散層厚度增加。但隨著溫度升高，浸鍍液流動(dòng)性增強(qiáng)（鋁的熔點(diǎn)為660℃），鍍層最外部的鋁層厚度反而減小。為了獲得足夠的鋁層厚度，同時(shí)保證擴(kuò)散過程充分進(jìn)行，在綜合分析不同溫度下浸鍍層厚度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和能耗等因素后，最終確定QT400-17的最佳浸鍍試驗(yàn)溫度為740℃。

3.2 浸鍍時(shí)間

將最佳浸鍍溫度740℃代入式 (3)求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)為0，求得t2=5.74 min。取6 min為最佳浸鍍時(shí)間。

3.3 擴(kuò)散工藝參數(shù)[11]

3.3.1 擴(kuò)散溫度

分別選取擴(kuò)散時(shí)間為2 h、5 h、8 h進(jìn)行擴(kuò)散試驗(yàn)，得到的擴(kuò)散層厚度與擴(kuò)散溫度關(guān)系曲線圖見圖1。

圖1 不同擴(kuò)散時(shí)間下擴(kuò)散層厚度與擴(kuò)散溫度關(guān)系曲線

從圖1中可以看出，3條曲線變化趨勢相似，在800～850℃區(qū)間，隨著擴(kuò)散溫度的提升，擴(kuò)散層厚度緩慢減??；在850～1 000℃區(qū)間，隨著擴(kuò)散溫度的提升，擴(kuò)散層厚度快速增加。同時(shí)，隨著擴(kuò)散溫度的升高，擴(kuò)散層逐漸由1層變?yōu)?層，外層逐漸減薄，內(nèi)層逐漸增厚，外層為 Fe2Al5相，內(nèi)層為FeAl相。

850℃時(shí)經(jīng)過5 h擴(kuò)散試驗(yàn)后試件的截面形貌見圖2，可以看出，當(dāng)擴(kuò)散溫度到達(dá)850℃時(shí)，擴(kuò)散層與基體層界面變得平直，這有利于鍍層與材料基體的結(jié)合，此時(shí)基體中的石墨顏色開始變淺，說明石墨在高溫下發(fā)生了氧化，隨著擴(kuò)散溫度進(jìn)一步提高，石墨的氧化將加劇，直接影響球墨鑄鐵的基體性能。擴(kuò)散時(shí)間為2 h、8 h時(shí)的規(guī)律與擴(kuò)散時(shí)間為5 h時(shí)試件截面形貌類同，說明從850℃開始，石墨開始氧化。為此，選取850℃為最佳擴(kuò)散溫度。

圖2 850℃經(jīng)5 h擴(kuò)散試件截面形貌（400×）

3.3.2 擴(kuò)散時(shí)間

擴(kuò)散溫度為800℃、900℃、1 000℃條件下，試驗(yàn)得到的擴(kuò)散層厚度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系曲線見圖3。圖3表明，隨著擴(kuò)散時(shí)間延長，擴(kuò)散層厚度先增大后減小。對擴(kuò)散層組織研究發(fā)現(xiàn)，伴隨擴(kuò)散時(shí)間延長，擴(kuò)散層表面形成針狀組織并長大，最終呈致密狀態(tài)。

圖3 不同擴(kuò)散溫度下擴(kuò)散層厚度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系曲線

擴(kuò)散4 h試件截面形貌見圖4，可以看出針狀組織已經(jīng)完全覆蓋在擴(kuò)散層表面，形成一層致密的Al2O3膜。當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間超過5 h時(shí)，Al2O3膜的形成會(huì)產(chǎn)生很大的生長應(yīng)力，擴(kuò)散時(shí)間越長,Al2O3膜的應(yīng)力越大，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，Al2O3膜就會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，確定最佳擴(kuò)散時(shí)間為5 h。

圖4 擴(kuò)散4 h試件截面形貌圖（400×）

4 球墨鑄鐵滲層形成機(jī)理分析

在嚴(yán)格控制工藝條件和工藝參數(shù)情況下，熱浸鍍鋁層由表面富鋁層和擴(kuò)散層構(gòu)成，富鋁層主要為Al相和針狀FeAl3相，擴(kuò)散層形態(tài)呈齒狀嵌入基體，其主要成分為FeAl和Fe2Al5相。在最佳擴(kuò)散工藝參數(shù)條件下，鐵鋁原子的互擴(kuò)散充分進(jìn)行。擴(kuò)散使原Al層厚度減小，而Fe2Al5層厚度稍有增加，隨著擴(kuò)散時(shí)間的延長，Al原子持續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散，F(xiàn)e2Al5層厚度先增后降，F(xiàn)eAl層厚度增加，但增速逐漸放緩[12-19]。擴(kuò)散層主要元素變化情況見圖5～圖7。

圖5 擴(kuò)散層靠近基體部分成分

圖6 擴(kuò)散層內(nèi)層成分

圖7 擴(kuò)散層外層成分

從圖5所示的擴(kuò)散層靠近基體部分主要成分可以看出，靠近基體的擴(kuò)散層Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.40%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.64%，其主要成分為FeAl和Fe2Al5相。從圖6所示的擴(kuò)散層內(nèi)層成分可以看出，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.30%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.51%，另有以化合物形式存在的少量SiO2等。從圖7所示的擴(kuò)散層外層成分可以看出，因接近表面氧化膜，增加了Al2O3相，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.10%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.42%，主要成分中Fe2Al5相有所增加，相應(yīng)的FeAl稍有減小。

5 結(jié)語

在助鍍劑等試驗(yàn)條件確定的情況下，QT400-17的最佳熱浸滲鋁工藝參數(shù)為，浸鍍溫度740℃、浸鍍時(shí)間6 min、擴(kuò)散溫度850℃、擴(kuò)散時(shí)間5 h。熱浸鍍鋁溫度越高，鐵鋁原子互擴(kuò)散能力越強(qiáng)，擴(kuò)散層厚度增大，但受鋁液流動(dòng)性增強(qiáng)影響，表面的鋁層厚度減小。擴(kuò)散溫度升高，擴(kuò)散層總厚度增大，達(dá)到850℃后，厚度變化不再明顯，且擴(kuò)散溫度過高，基體中的石墨極易氧化，影響基體性能。擴(kuò)散時(shí)間延長，擴(kuò)散層厚度先增后降，擴(kuò)散時(shí)間超過5 h，易導(dǎo)致表面的Al2O3膜開裂。