热浸渗铝球墨铸铁渗层形成机理及抗氧化性能研究

摘要

对球墨铸铁进行热浸渗铝可以显著地提高球墨铸铁的抗高温氧化及耐腐蚀性能，与铝、硅、铬系耐热铸铁相比，该工艺成本低廉，在石油化工、锅炉配件等领域有广阔的应用前景。
　　本论文以QT400-18球墨铸铁为基体材料，研究了渗铝温度、时间等热浸渗铝工艺参数对球墨铸铁材料渗铝层厚度的影响；系统分析了渗铝层形成机理；并讨论了渗铝层的抗高温氧化性能。
　　利用统计学软件DPS、SPSS建立了渗铝层厚度与热浸渗铝温度和时间两个参数的回归方程；同时建立了合金层厚度与热浸渗铝过程的渗铝温度和时间以及后续扩散过程的扩散温度和时间这四个参数之间的回归方程，并结合金相分析确定合金层厚度方面的最佳工艺参数：热浸渗铝温度为750℃～780℃热浸渗铝时间为10min；扩散处理温度为1000℃～1150℃；扩散处理时间为3～4h；钝化剂浓度对合金层厚度无明显影响。
　　通过测量渗铝层厚度随着热浸渗铝时间增加的变化情况研究了渗铝层的生长动力学。结果表明，渗铝层按照抛物线规律进行扩散生长；通过金相观察及EDS能谱分析确定渗铝层主要由厚度较大且呈“舌状”的Fe2Al5层、厚度很小并位于纯铝层与Fe2Al5层间的FeAl3层(与纯铝层界面处呈多面体状)以及分布于表面纯铝层中的针杆状FeAl3组成。
　　通过对含Ni球墨铸铁基体进行热浸渗铝后观察其金相并测量其渗铝层厚度等信息研究Ni对球墨铸铁热浸渗铝层的影响。结果表明，随着Ni含量的增加，合金层的厚度变得均匀，连续性变好，并且Fe2Al5相与基体界面变得平滑；但是合金层的厚度随着Ni含量的增加而减小，在Ni含量达到Ni-0.7wt.％后合金层厚度减小的程度变得平缓。
　　800℃下热浸渗铝球墨铸铁恒温氧化120h后，试样单位面积增重量变化情况随着氧化时间的增加基本符合抛物线规律，其抛物线速率常数kp为7.15×10-4 mg2cm-4s-1，与球墨铸铁基体的速率常数(kp=1.54×10-2 mg2cm-4s-1)相比小两个数量级，说明渗铝层有效地抵抗球墨铸铁基体的氧化；800℃下热浸渗铝球墨铸铁循环氧化65个周期后，并未出现渗铝层与基体脱落从而导致重量突减的情况，充分说明了渗铝层与球墨铸铁基体间有较高的结合强度。