不锈钢表面Fe3Si型金属硅化物渗层的制备与表征

摘要

0Cr18Ni9奥氏体不锈钢在非常苛刻的氧化条件下,开始阶段氧化增重缓慢,但是在某一个临界点其氧化增重现象明显,导致氧化皮的大量剥落。因此0Cr18Ni9不锈钢很难应用在对环境有严格要求的场合。Fe3Si作为金属硅化物的一种,具有优越的高温抗氧化性能,其原因是保护性氧化膜SiO2的生成。但是,Fe3Si的室温脆性限制了其作为结构材料方面的应用。因此,将Fe3Si用于材料的表面改性涂层材料则可以避开Fe3Si的脆性,从而拓展Fe3Si的应用领域。通过在0Cr18Ni9不锈钢表面渗硅并形成Fe3Si金属间化合物渗层不仅提高不锈钢表面强度、硬度、耐磨性的同时,同时提高0Cr18Ni9不锈钢的高温抗氧化性。
　　 基于上述思想,本研究通过熔融盐非电解法在0Cr18Ni9不锈钢表面制备了不同含硅量的Fe3Si型金属硅化物渗层。采用X射线衍射仪(XRD)分析了渗硅层的物相组成,用扫描电子显微镜(SEM)和附带能量色散谱仪(EDS)研究了渗层截面的形貌和成分,通过调整熔盐体系、渗硅温度和渗硅时间等工艺参数,研究了渗硅层对0Cr18Ni9不锈钢的综合力学性能特别是高温抗氧化性能,得到如下几条具有意义的结论:
　　 (1)利用NaCl:KCl:NaF=2:2:1中性熔融盐作为载体,Na2SiF6和Si粉做为渗硅剂采用不同的渗硅工艺,可以在0Cr18Ni9不锈钢表面获得不同质量和厚度的金属硅化物渗层。XRD分析表明:渗硅体系1和2在800℃下保温10h后的渗层表面物相均以Fe3Si相为主。SEM对硅化物渗层断面分析表明:渗硅体系1和2在800℃下渗硅处理后渗层和基体结合紧密,并且在不同体系中保温不同时间后在基体和渗层交界处仍然存在由于Si,Fe原子扩散系数不一样而导致的柯肯达尔空隙带。渗层断面EDS分析表明:在渗硅处理过程当中发生了Fe,Cr,Ni元素向基体外的扩散和Si元素的向内扩散,并且在渗层和基体组织交界处发生了Si元素含量的突变。
　　 (2)对经渗硅处理5h和10h后的0Cr18Ni9不锈钢轴向拉伸力学性能分析表明,渗硅试样的比例极限大于不经过渗硅处理的0Cr18Ni9不锈钢,渗硅处理5h和10h后对0Cr18Ni9不锈钢的抗拉强度影响不大,硅化物渗层除了在试样表面呈台阶状断裂外,同时还沿柯肯达尔孔隙带断开,导致渗层的横截面积减小,是导致试样在弹性形变过程中出现不同弹性模量的原因。
　　 (3)研究了渗硅温度,渗硅时间,和渗硅体系对硅化物渗层生长速度和质量的影响,试验表明:渗硅温度越高硅化物渗层生长速度越快;当硅化物渗层达到一定厚度的时候,保温时间的延长并不能够很有效的增加硅化物渗层的厚度:在相同的保温时间和渗硅温度下,体系2所获得的渗层厚度明显大于体系1,但是相对于体系1而言体系2制备的渗层却存在比较多的缺陷。
　　 (4)高温氧化试验表明:Fe3Si基硅化物渗层表现出了较0Cr18Ni9不锈钢优越的高温抗氧化性能。Fe3Si基硅化物渗层在800℃和900℃条件下的高温循环氧化动力学曲线均表现为二次抛物线型。由于高温下生成了连续的SiO2保护膜,使得900℃下的抗氧化性能更优。试验分析表明,试样在800℃下氧化层由Fe2O3和SiO2组成,而在900℃下氧化层则是由Fe2O3、SiO2和Cr2O3组成的混合氧化物。渗硅试样在800℃循环氧化过程中,硅化物渗层局部和0Cr18Ni9不锈钢基体之间结合比较紧密;而在900℃下循环氧化过程中,渗层与基体之间通过Si、Cr元素相互扩散使二者结合强度得到了增强。渗硅试样在900℃下形成的氧化膜比800℃下形成氧化膜更为致密,800℃下渗层表面氧化100h后的物相以Fe2O3为主,另外还有少量的SiO2;900℃下SiO2在氧化层表面的衍射峰大大加强。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 奥氏体不锈钢高温抗氧化性能和力学性能概述

1.1.1 0Cr18Ni9不锈钢的成分与主要用途

1.1.2 0Cr18Ni9不锈钢的力学性能

1.1.3 0Cr18Ni9不锈钢的高温氧化行为

1.1.4 抗高温氧化表面处理的发展概况

1.2 Fe3Si有序合金的组织结构和性能

1.2.1 Fe3Si有序合金的结构和基本特性

1.2.2 Fe3Si合金的高温氧化性能

1.3 常见的几种制备硅化物渗层的方法

1.3.1 粉末包埋法

1.3.2 化学气相沉积法

1.3.3 熔盐法

1.4 本课题的意义及研究内容

1.4.1 本课题的意义

1.4.2 本研究工作的新意之处

第2章 Fe3Si型金属硅化物渗层的熔盐法制备

2.1 试验过程

2.1.1 试验原料

2.1.2 试验设备

2.1.3 试验方案

2.2 试验结果与讨论

2.2.1 硅化物渗层的表征

2.2.3 盐浴渗硅及渗层形成机理

2.2.4 渗硅体系对硅化物渗层断面厚度的影响

2.2.5 渗硅时间对硅化物渗层断面厚度的影响

2.2.6 渗硅温度对硅化物渗层断面厚度的影响

2.3 本章小结

第三章 渗硅处理后的0Cr18Ni9不锈钢轴向拉伸力学性能分析

3.1 试验过程

3.2 试样的应力应变曲线

3.3 试样的拉伸断口形貌

3.4 本章小结

第4章 金属硅化物渗层的高温氧化行为

4.1 试验过程

4.2 试验结果与讨论

4.2.1 金属硅化物渗层得循环氧化动力学分析

4.2.2 金属硅化物渗层氧化速度常数的确定

4.2.3 金属硅化物渗层氧化产物表面物相

4.2.4 金属硅化物渗层氧化产物表面形貌

4.2.5 金属硅化物渗层在800氧化断面形貌以及Eds分析

4.2.6 金属硅化物渗层在900氧化断面形貌以及Eds分析

4.2.7 金属硅化物渗层的高温循环氧化动力学分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间待发表的学术论文