本發(fā)明屬于機械能助滲領(lǐng)域，特別涉及一種真空機械能助滲鋅鋁鉻合金層及其制備方法。

背景技術(shù)：

機械能助滲是20世紀90年代我國首先開發(fā)的一項表面處理新技術(shù)。它利用運動的粉末粒子沖擊被加熱的工件表面,粒子的運動(機械能)激活表面點陣原子,形成空位,降低了擴散激活能,將純熱擴滲的點陣擴散變?yōu)辄c陣缺陷擴散,從而大幅度降低擴散溫度,縮短擴散時間,節(jié)能效果十分顯著，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量。在機械能助滲的研究中,已開發(fā)出包括機械能助滲鋅，機械能助滲鋁等多種助滲工藝。其中機械能助滲鋅已部分替代熱鍍鋅獲得較為廣泛的應(yīng)用。而機械能助滲鋁將滲鋁溫度由常規(guī)的粉末滲鋁的900-1050℃,降低到440-600℃，擴滲時間由8-20h,縮短到1-4h，不僅節(jié)能，而且使產(chǎn)品具有優(yōu)良的抗高溫氧化性以及耐蝕性。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展,原來滲入單一元素所得的滲層已不能完全滿足要求,而多元元素共滲不但能充分發(fā)揮單一元素的各自優(yōu)點,而且還可以賦予金屬材料表面以新的更好的性能。其中機械能助鋅鋁共滲已被研究，然后在已有的研究中，獲得的鋅鋁共滲層組織與滲鋅層相近，滲層的相主要為fezn4,與機械能助滲鋅相比，性能提高不顯著。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是顯著改善機械能助滲鋅鋁合金層的顯微組織結(jié)構(gòu)和合金層性能，本發(fā)明提供一種真空機械能助滲鋅鋁鉻合金層的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種真空機械能助滲鋅鋁鉻合金層的制備方法，包括如下步驟：

(1)將原材料依次進行打磨處理、堿洗處理、酸洗處理、吹干處理，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉3-10％、鋁粉15-25％、鉻粉4％-12％、氯化銨1-2％、余量為填充劑氧化鋁粉。

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末混合均勻，制得共滲劑。

(4)將步驟(1)的原材料與步驟(3)的共滲劑按一定的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預(yù)留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關(guān)掉真空閥，通入惰性氣體，反復(fù)3-5次，最后抽真空，然后密封；

(6)打開電源開關(guān)，使步驟(5)的滾筒升溫并以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，待溫度達到設(shè)定溫度時開始計時，保溫一段時間后停止加熱以及轉(zhuǎn)動。

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

所述步驟(1)中，原材料為低碳鋼。

打磨處理：將原材料依次使用400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈。

堿洗處理：將15wt％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出，使用清水清洗干凈。

酸洗處理：將堿洗處理之后的樣品放進15wt％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈。

吹干處理：將酸洗處理之后的樣品使用冷風(fēng)吹干。

所述步驟(2)中，鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均＞99.5wt.％，氯化銨為100目，純度為工業(yè)純。

所述步驟(4)中，樣品與共滲劑體積比為1:4。

所述步驟(5)中，惰性氣體為氬氣。

所述步驟(6)中，滾筒轉(zhuǎn)速為13-15r/min，設(shè)定溫度為560-600℃，保溫時間3-4h。

采用sem-eds手段，對步驟(7)的樣品滲層進行形貌和成分分析，從而研究滲層的顯微組織結(jié)構(gòu)以及合金層性能。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)通過共滲劑中加入鉻，來改變現(xiàn)有的機械能助滲鋅鋁共滲層組織結(jié)構(gòu)。鉻是一種對鋼的組織結(jié)構(gòu)具有很大影響的元素，由于鉻的存在，改變了鋅鋁層的組織生長，將與機械能助滲鋅層組織相近的機械能助滲鋅鋁共滲層變?yōu)槎鄬庸矟B層組織，而且使其結(jié)合更加緊密、牢固，材料抗氧化性、抗腐蝕性具有顯著提高。同時鉻固溶于滲層中，起到固溶強化作用。

(2)通過控制共滲劑中鉻的含量，可以得到不同的滲層組織。例如：含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal、fe2al5、δ(fezn7)等滲層。經(jīng)掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，在這些滲層中，除了含鋅α-fe過渡層外，鋁、鋅都是以與鐵的化合物形式存在，而cr元素則大多以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，沒有發(fā)現(xiàn)cr元素富集的現(xiàn)象。因此這種組織結(jié)構(gòu)大大降低滲層和基體之間的電位差，起到多重保護作用。而且鋅鋁共滲層與基體有良好的附著力，大大提高了材料抗磨蝕、抗腐蝕等綜合性能。

附圖說明

圖1是真空機械能助滲劑配比為al2o3-3％zn-19％al-4％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片。

圖2是真空機械能助滲劑配比為al2o3-10％zn-15％al-8％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片。

圖3是真空機械能助滲劑配比為al2o3-7％zn-25％al-12％cr-2％nh4cl的掃描電鏡照片。

上述含量均為重量百分比含量。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

實施例1

為了符合和適應(yīng)一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實驗中使用一般低碳鋼20鋼作為金屬基體材料，使用線切割機加工成15mm×15mm×3mm的規(guī)格。

(1)將20鋼依次進行打磨處理(400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈)、堿洗處理(使用酒精燈將15％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出使用清水清洗干凈)、酸洗處理(將堿洗處理之后的樣品放進15％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈)、吹干處理(將酸洗處理之后的樣品使用冷風(fēng)吹干)，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉3％、鋁粉19％、鉻粉4％、氯化銨1％、余量為填充劑氧化鋁粉；其中鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均為99.7wt.％。氯化銨為100目，純度為工業(yè)純；

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末在大玻璃罐中混合均勻，制得共滲劑。

(4)將步驟(1)的20鋼與步驟(3)的共滲劑按1:4的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預(yù)留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關(guān)掉真空閥，通入氬氣，反復(fù)3-5次，最后抽真空，然后密封。

(6)打開電源開關(guān)，使步驟(5)的滾筒升溫并以13r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，待溫度達到560℃時開始計時，保溫4h后停止加熱以及轉(zhuǎn)動；

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

通過上述步驟得到的真空機械能助滲劑配比為al2o3-3％zn-19％al-4％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片如圖1所示，可以看出，由基體往外依次為含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal、fe2al5層。其中鋅含量較高的含鋅α-fe，分布在含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal滲層中。其中feal層交錯進入fe2al5層，結(jié)合緊密。cr元素則大多以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，沒有發(fā)現(xiàn)cr元素的富集。整個滲層厚度約為95μm。這種多層結(jié)構(gòu)與已有的研究相比，大大提高了材料抗磨蝕、抗腐蝕等綜合性能。

實施例2

為了符合和適應(yīng)一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實驗中使用一般低碳鋼20鋼作為金屬基體材料，使用線切割機加工成15mm×15mm×3mm的規(guī)格。

(1)將20鋼依次進行打磨處理(400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈)、堿洗處理(使用酒精燈將15％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出使用清水清洗干凈)、酸洗處理(將堿洗處理之后的樣品放進15％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈)、吹干處理(將酸洗處理之后的樣品使用冷風(fēng)吹干)，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉10％、鋁粉15％、鉻粉8％、氯化銨1％、余量為填充劑氧化鋁粉；其中鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均為99.7wt.％。氯化銨為100目，純度為工業(yè)純。

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末在大玻璃罐中混合均勻，制得共滲劑；

(4)將步驟(1)的20鋼與步驟(3)的共滲劑按1:4的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預(yù)留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關(guān)掉真空閥，通入氬氣，反復(fù)3-5次，最后抽真空，然后密封。

(6)打開電源開關(guān)，使步驟(5)的滾筒升溫并以15r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，待溫度達到580℃時開始計時，保溫3h后停止加熱以及轉(zhuǎn)動。

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

通過上述步驟得到的真空機械能助滲劑配比為al2o3-10％zn-15％al-8％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片如圖2所示，隨著共滲劑中鉻比例的增加，從基體往外依次為含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal、δ(fezn7)層，其中鋅含量較高的含鋅α-fe，分布在含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal滲層中。從圖中可以看出，feal層變厚，而fe2al5層消失，在外層出現(xiàn)新的δ(fezn7)層。其中在γ(fe3zn10)層靠近feal層的附近，含鋅量稍高。整個滲層厚度約為95μm。在這四層滲層中，除了含鋅α-fe過渡層外，鋁、鋅都是以與鐵的化合物形式存在，而cr元素仍以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，沒有cr元素富集現(xiàn)象。這種多層組織結(jié)構(gòu)大大降低滲層和基體之間的電位差，從而能起到多重保護作用。

實施例3

為了符合和適應(yīng)一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實驗中使用一般低碳鋼20鋼作為金屬基體材料，使用線切割機加工成15mm×15mm×3mm的規(guī)格。

(1)將20鋼依次進行打磨處理(400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈)、堿洗處理(使用酒精燈將15％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出使用清水清洗干凈)、酸洗處理(將堿洗處理之后的樣品放進15％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈)、吹干處理(將酸洗處理之后的樣品使用冷風(fēng)吹干)，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉7％、鋁粉25％、鉻粉12％、氯化銨2％、余量為填充劑氧化鋁粉；其中鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均為99.7wt.％。氯化銨為100目，純度為工業(yè)純。

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末在大玻璃罐中混合均勻，制得共滲劑。

(4)將步驟(1)的20鋼與步驟(3)的共滲劑按1:4的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預(yù)留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關(guān)掉真空閥，通入氬氣，反復(fù)3-5次，最后抽真空，然后密封；

(6)打開電源開關(guān)，使步驟(5)滾筒升溫并以13r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，待溫度達到600℃時開始計時，保溫3h后停止加熱以及轉(zhuǎn)動。

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

通過上述步驟得到的真空機械能助滲劑配比為al2o3-7％zn-25％al-12％cr-2％nh4cl的掃描電鏡照片如圖3所示，隨著共滲劑中鉻比例的繼續(xù)增加，從基體往外依次為含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、δ(fezn7)、feal、δ(fezn7)層，其中鋅含量較高的含鋅α-fe，分布在整個滲層中。從圖中可以看出，feal層變薄而且成小塊狀，δ(fezn7)層繼續(xù)長大，分布在feal層周圍。cr元素仍然以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，整個滲層厚度約為95μm。這種多層共滲層與基體有良好的附著力，大大提高了材料抗磨蝕、抗腐蝕等綜合性能。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。