郭麗娟,張瀟華,譚 哲,張 強(qiáng)

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257000)

2017-06-01

國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201613386024)

郭麗娟(1986—),女,山東青州人，中國石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)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(qiáng)

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257000)

熱浸鍍鋁是一種能起到表面防護(hù)和表面強(qiáng)化的表面處理技術(shù),可提高鋼的耐蝕性。通過35CrMo鋼熱浸鍍鋁試驗,總結(jié)出浸鍍時間對35CrMo鋼鍍層組織的影響規(guī)律。結(jié)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(zhì)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(jīng)過預(yù)處理的鋼置于高溫熔融鋁液中浸漬適當(dāng)時間,使鋼基體和鋁液之間發(fā)生擴(kuò)散和界面反應(yīng),在基體表面形成Fe-Al金屬間化合物,從而起到表面防護(hù)和表面強(qiáng)化的一種表面處理技術(shù)[3- 4]。浸鋁鋼不僅把鋁的耐蝕性和鋼的強(qiáng)度結(jié)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(xué)成分 %

表2 試驗中鋁液的化學(xué)成分 %

1.2 工藝流程及參數(shù)

用溶劑法進(jìn)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(chǎn)中的生產(chǎn)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(jié)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(xiàn):浸鍍溫度為700 ℃時,時間低于270 s會有漏鍍現(xiàn)象;當(dāng)浸鍍溫度超過760 ℃,時間長于360 s時,表面有黑色熔渣出現(xiàn),表層質(zhì)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(jīng)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(dāng)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(kuò)散,并發(fā)生界面反應(yīng),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(xiàn)象,鍍層與35CrMo鋼基體的結(jié)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(dāng)浸鍍時間處于180～450 s時間段內(nèi)時,35CrMo鋼鍍層質(zhì)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(yuǎn)低于高溫鋁液。所以當(dāng)35CrMo試樣進(jìn)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(chǎn)生漏鍍現(xiàn)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(chǎn)生漏鍍現(xiàn)象。

綜上,當(dāng)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(kuò)散形成的,浸鍍時間越長,元素擴(kuò)散反應(yīng)時間越長,生成的合金層就會越厚。但是當(dāng)浸鍍達(dá)到450 s時,合金層與純鋁層之間存在細(xì)小裂紋,使得鍍層質(zhì)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(jìn)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(dāng)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(jìn)入鋁液時,基體與鋁液直接接觸,反應(yīng)速率大;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,表面形成的擴(kuò)散層相當(dāng)于一層保護(hù)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(dāng)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(kuò)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(jié) 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(xiàn)漏鍍現(xiàn)象;熱浸鍍時間在180～360 s時,鍍層質(zhì)量良好,無缺陷;當(dāng)浸鍍時間達(dá)到450 s時,鍍層有孔洞和細(xì)小裂紋,使得鍍層質(zhì)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(zhì)量最佳,熱浸鍍鋁效果最好。

(3)當(dāng)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(dāng)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。

[1] 高文錄,李國喜.鋼材熱浸鍍鋁技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].金屬熱處理,1991(6):11-15.

[2] 華勤,戚飛鵬.鋼鐵零件熱浸鍍鋁技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)械工程材料,1995,19(1):32-34.

[3] LEE J H, KIM J D, OH J S, et al. Effect of A1 coating conditions on laser weldability of A1 coated steel sheet[J].Trans. Nonferrous Met.Soc.China,2009(19):946-951.

[4] CHENG W J, CHANG Y Y, WANG C J. Observation of high-temperature phase transformation in the aluminide Cr-Mo steel using EBSD[J].Surf.Coat.Techno1,2008,203(5/7):401- 406.

[5] 劉雪民,易大偉,馬正偉,等.熱浸鍍鋁技術(shù)的研究應(yīng)用與發(fā)展[J].材料保護(hù),2008,41(4):47-50.

[6] 李蘇琴.鋼材熱浸鍍鋁新工藝[J].熱處理,2001,16(4):20-22.

[7] 楊世偉,李莉,羅兆紅.1Cr18Ni9Ti鋼熱浸鍍Al2Si2R的抗高溫氧化性能[J].腐蝕與防護(hù),2000,21(2):64- 66.

[8] 馬云龍.熱浸鍍鋁工藝的研究及Cu、Ti對鍍層性能的影響[D].鞍山:鞍山科技大學(xué),2004.

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[責(zé)任編輯]劉慶