[发明专利]钢铁材料表面制备Fe－Al金属间化合物层的方法

说明书

技术领域

一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，属于金属材料表面冶金技术领域。

技术背景

Fe-Al基金属间化合物具有比重小、弹性模量高、抗氧化、抗硫化、耐热腐蚀等一系列优异的性能特点。同各种不锈钢、钴基和镍基高温合金相比，Fe-Al在高温腐蚀环境中，特别是在冲蚀条件下使用具有独到的优势。用作高温结构材料，室温脆性(延伸率＜5％)和温度超过500℃后材料强度急剧下降，是限制其工业应用的两大主要障碍。为解决这一问题，多年来材料工作者进行了大量的研究和探索。在对Fe₃Al的力学行为、腐蚀行为及其组织结构和相关的相变过程的研究上取得了许多研究成果，对这种材料的环境脆性问题的研究也取得了一定的进展，通过调整合金的成分和组织结构能够有效地提高其强度和塑性。但是由于成本和加工工艺性等一系列问题，Fe-Al作为结构材料未能得到广泛应用。

若将Fe-Al用作高温结构材料的表面防护涂层，即将材料的高温耐蚀性和高温强度分开来考虑，高温强度由基体材料来承担，高温下的腐蚀与磨损由Fe-Al金属间化合物涂层来防护，这无疑可以大大拓宽Fe-Al材料的应用范围。

传统Fe-Al材料一般采用整体熔炼或粉末冶金等方法来制作，由于铁铝材料的本质脆性，整体Fe-Al合金尽管具有优良的耐磨耐蚀性能，但不易成形，严重制约了其实际应用。如果能利用普通钢铁材料作为基体，在成形后的零件上制备表面冶金Fe-Al合金层，既利用了其优良的耐磨耐蚀性能，又避免了成形困难的缺点，且大幅度降低了成本，拓宽了Fe-Al合金的应用范围。

双层辉光技术曾用来在普通钢铁材料表面制备镍铬耐蚀合金、高速钢；在钛合金表面制备耐磨、耐蚀、阻燃合金层等，均取得成功。但要形成Fe-Al合金，按照传统工艺却不能成功。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，形成表面FeAl、Fe₃Al金属间化合物层，以在普通钢铁材料表面生成耐蚀性能优越的合金层。

一种钢铁材料表面制备Fe-Al金属间化合物层的方法，其特征在于：在真空辉光放电装置中同时设置两个阴极，一个称为源极，另一个被处理的钢铁材料工件称为阴极，炉体为共用阳极，工作气压为10-100Pa，源极电压为100-1200V，阴极电压为100-600V，极间距为10-30mm，处理温度为900-1100℃，处理时间为0.5-3小时；其中源极由Al-石墨或Al-Al₂O₃经粉末冶金工艺制成，其中Al-石墨中Al的含量为30-60％，Al-Al₂O₃中Al的含量为30-60％，在处理前，预先将该源极材料制备成平板状或格栅状或并列排状或根据工件形状而仿形制备。

双层辉光等离子表面合金化工艺过程中源极温度达到800℃以上，超过纯Al的熔点，所以采用传统工艺，利用纯金属作为源极，不能成功。如果降低源极电流密度从而降低源极温度，则不能提供足够的溅射量。本发明设计并采用粉末冶金制备Al-石墨或Al-Al₂O₃两种Al源极，其中Al的含量为30-60％，其熔点在800℃以上，可以保证源极不熔化且能提供足够的Al供给量。

传统工艺中，利用平板状源极结构，由于供给量不足，制备效果不好。所以根据需要Al-石墨、Al-Al₂O₃源极可采用平板，最好采用格栅状或并列排状结构，以增大溅射量，也可以根据工件形状而仿形设计，满足形状较复杂的零件表面合金层均匀性要求。

根据合金层成分及厚度要求，通过合理布置源极、阴极位置，并在10～30mm之间调整阴极、源极间距，以产生空心阴极效应，增加合金元素供给量，提高合金元素渗入速度。