合金化Fe3Si渗层提高2Cr13不锈钢耐磨、抗蚀综合性能的熔盐非电解制备方法

摘要

本发明公开了合金化Fe3Si渗层提高2Cr13马氏体不锈钢耐磨、抗蚀表面综合性能的熔盐非电解渗制备的方法。该发明提出了两种合金化Fe3Si渗层的制备技术方法，一种是利用2Cr13基体成分中的合金元素Cr制备出具有良好钝化性能、耐蚀性好和耐磨性高的Cr合金化渗硅层；另一种是通过电镀方法在基体表面先制备一定厚度的Ni、Cu等设计镀层体系，然后经中性熔盐非电解渗硅得到了(Ni,Cr)‑、(Cu,Cr)‑等合金化Fe3Si渗层。采用本发明制得的合金化Fe3Si渗层与2Cr13基体结合牢固，有效的提高了2Cr13钢的抗蚀和耐磨性能，从而满足不同工况环境的使用要求，且方法简便、成本低廉，因此具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于表面冶金工程技术领域，涉及增强2Cr13马氏体不锈钢耐磨抗蚀综合性能的方法，特别涉及一种合金化Fe₃Si渗层提高2Cr13不锈钢耐磨、抗蚀综合性能的熔盐非电解制备方法。

背景技术

2Cr13马氏体不锈钢具有较高的强度和机械性能，因而广泛用于汽轮机叶片、压缩机叶片、紧固件、耐蚀刃具、轴承等塑性及承受冲击载荷要求较高的零件，然而它本身的耐蚀性和耐磨性仍难以满足工业环境日渐变化的要求，而表面强化是提高材料综合性能最直接有效的方法。目前，可选用的方法主要有渗碳、低温离子渗氮、激光表面改性等。但离子渗和激光表面处理需要昂贵的设备，高温离子渗碳不仅温度高，而且制备时间周期特别长。为此，寻求低成本、制备方便的技术方法一直是工程技术领域的重要问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了合金化Fe₃Si渗层提高2Cr13不锈钢耐磨、抗蚀综合性能的熔盐非电解制备方法，该方法可以利用钢材里面的合金化元素或和通过添加外部合金元素(金属电镀层)得到一种合金化Fe₃Si层，使其可作为一种强韧性涂层被利用，具有工艺简单、合成温度低、保温时间短等优点，而且所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合(属冶金结合)，因而结合非常牢固，渗层不易脱落，且试样被熔盐包裹在其中，在加热过程中避免了与氧气接触，表面不易被氧化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

合金化Fe₃Si渗层提高2Cr13不锈钢耐磨、抗蚀综合性能的熔盐非电解制备方法，对含有Cr合金元素的2Cr13基体或带有镀层的2Cr13基体进行中性熔盐渗硅制备合金化Fe₃Si层。所得与基体结合牢固的合金化Fe₃Si渗层，由表面致密的合金化Fe₃Si层和其下相对疏松多孔的扩散层两层构成。

优选地，在中性熔盐渗硅制备合金化Fe₃Si层之前，先对2Cr13基体进行包括表面机械整平、除油两个环节的预处理，借助电火花切割法将试样切割成Ф30mm×8mm的圆片，然后用水砂纸双面依次打磨至1000#，再用丙酮超声清洗除油，处理后2Cr13表面光滑平整，有金属光泽，得到无油污、无锈蚀物附着和无明显氧化层的金属表面。

优选地，在中性熔盐渗硅制备合金化Fe₃Si层之前，进行合金化源设计，即，依据不同的工况环境对表面性能的不同需求选择直接在2Cr13基体上或在2Cr13表面进行电沉积制备Ni或/和Cu等镀层，形成Ni或/和Cu与基体Cr多种合金化源，以获得更高的表面综合性能。利用电沉积引入外部合金元素Ni、Cu能实现扩大调控合金化Fe₃Si渗层性能，其中Ni具有很好的増韧作用，和Cr配合使用能有效提高不锈钢的耐蚀和耐磨性能，Cu有防渗碳、易扩散的作用，可有效减缓Si和Fe互扩散速率，有望减少柯肯达尔孔隙带的出现。

优选地，所述镀层厚度为5～20μm，镀层与基材结合牢固，符合镀层基本质量要求。

优选地，所述熔盐由中性盐NaCl、KCl、NaF和渗硅剂Na₂Si₆F、Si粉组成，按摩尔比33％NaCl、33％KCl、14％NaF、5％Na₂SiF₆、15％Si配置，在进行熔盐渗硅处理之前，将中性盐在100℃下烘干1h，再和渗硅剂混合均匀且研成细粉。

优选地，在合金化Fe₃Si层制备过程中，将设计好合金源(基体或/和合金源镀层)的2Cr13试样包埋在氧化铝坩埚中的混合熔盐内，确保试样表面和熔盐细粉充分接触，石英棒也竖直放置在熔盐中，以稳定Si源渗剂。

优选地，在合金化Fe₃Si层制备过程中，设定保温温度700～830℃，保温时间2～4h。而2Cr13马氏体不锈钢的淬火温度在980～1050℃之间，所以随炉升温到800℃保温4h并不会影响基体本身组织的变化，最后在基体表面上得到了一种具有高结合力和强韧性好的合金化Fe₃Si渗层，改善了基体的综合性能。

优选地，合金化Fe₃Si层渗制完成后，快速将石英棒和2Cr13试样取出，2Cr13试样放置在空气中自然冷却后，用热水反复清洗去除表面的残盐，并用丙酮和无水乙醇清洗、脱水和烘干。

本发明通过将中性盐与渗硅剂混合均匀后再将试样与石英棒完全埋入熔盐，加热制备出合金化的Fe₃Si防护层，该过程熔盐一定程度地隔绝了试样与空气的接触，避免了表面的氧化，而且该过程可控、操作简便、成本低，得到的渗层致密性较好，在增加表面硬度的同时明显的提高了耐蚀和耐磨性能，合金化则很好地避免了金属间化合物脆性的同时使其作为一种涂层材料得到了利用。

附图说明

图1是2Cr13基体渗硅处理和镀渗复合处理后表面的XRD谱图。

图2是2Cr13基体渗硅处理和镀渗复合处理后渗层剖面的微观结构图，其中：(a)Cr-Fe₃Si剖面；(b)(Cu,Cr)-Fe₃Si剖面；(c)(Ni,Cr)-Fe₃Si剖面。

图3是2Cr13基体渗硅处理和镀渗复合处理后渗层的极化曲线图。

图4是2Cr13基体渗硅处理和镀渗复合处理后渗层的交流阻抗图。

图5是2Cr13基体渗硅处理和镀渗复合处理后渗层的摩擦因数图。

图6是2Cr13基体渗硅处理和镀渗复合处理后渗层的体积损失图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

实施例1

2Cr13基体通过熔盐渗硅制备Cr合金化Fe₃Si防护层，利用2Cr13基体成分中的合金元素Cr制备出具有良好钝化性能、耐蚀性好和耐磨性高的Cr合金化渗硅层，具体步骤如下：

1)2Cr13基体的前处理：借助电火花切割法将材料从φ30mm的棒材上切割成8mm厚的圆片试样，表面依次经240#、400#、600#、800#、1000#金相水砂纸双面打磨，然后用丙酮超声清洗10min，再用无水乙醇脱水后烘干，使表面光滑平整，有金属光泽。

2)熔盐渗制备Cr合金化Fe₃Si。熔盐由中性盐NaCl、KCl、NaF和渗硅剂Na₂Si₆F、Si粉组成，各试剂均为分析纯。首先，将中性盐放入真空干燥箱在100℃下干燥1h。而后，再和渗硅剂混合均匀，并经研磨成熔盐细粉，装入氧化铝坩埚，并将准备好的试样包埋在熔盐内。最后在坩埚中竖直插入石英棒(用于补充熔盐中硅元素)，放入箱式电阻炉中加热至750℃后保温4h。完成渗硅后从熔融盐中取出试样，空冷至室温后用去离子水清洗试样表面残盐，再经丙酮超声清洗，无水乙醇脱水后烘干。

实施例1渗层表面的XRD谱图示意图如图1所示，渗层主相成分为合金化的Fe₃Si，其次还有少量的SiO₂，剖面结构如图2所示，其中(a)为Cr-Fe₃Si剖面；(b)为(Cu,Cr)-Fe₃Si剖面；(c)为(Ni,Cr)-Fe₃Si剖面，可见渗层由表层致密的合金化Fe₃Si层和其下疏松多孔的扩散层组成。

以实施例1制备的具有Cr合金化Fe₃Si防护层的试样为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，室温条件下，在10Vol.％H₂SO₄中测试线极化曲线，起始电位为-0.8～0.6V，扫描速率为1mV/s，得到的结果如图3所示，与基体相比，渗层具有明显的钝化特性，其自腐蚀电位增大，自腐蚀电流密度降低，有效的提高了基体的耐硫酸腐蚀性能。

以实施例1制备的具有Cr合金化Fe₃Si防护层的试样为工作电极，采用交流阻抗技术测试电极的电化学性能。合金化Fe₃Si渗层试样作为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和氯化钾甘汞电极为参比电极，室温条件下，在10Vol.％H₂SO₄中进行测试，频率范围为100kHz～10mHz，10mV正弦波作为激励信号。与基体的交流阻抗谱对比如图4所示，可以看出渗层的容抗弧半径大约为基体的4倍，说明渗层的耐蚀性更好，这与极化曲线测试结果相一致。

以实施例1制备的Cr合金化Fe₃Si防护层和2Cr13基体作为对比进行球-盘摩擦磨损试验，载荷为5N，对磨材料为Al₂O₃，对磨时间为60min，摩擦因数随时间变化曲线如图5所示，可以看出，渗层具有低于基材的摩擦系数，属于减摩表面，磨损体积失重如图6所示，Fe₃Si防护层使得基材的磨损体积损失降低到1/12，所以有效提高了基材的耐磨性能。

实施例2

镀渗复合处理制备多元合金化Fe₃Si防护层，通过电镀方法在基体表面先制备一定厚度的Ni、Cu等设计镀层体系，然后经中性熔盐非电解渗硅得到了(Ni,Cr)-、(Cu,Cr)-等合金化Fe₃Si渗层，具体步骤如下：

1)2Cr13基体的前处理：同实施例1中第1)步。

2)电沉积Ni和Cu镀层：镀层厚度控制在8～10μm内，通过引入外部合金元素来实现多元合金化，达到改善基体性能的目的。

3)熔盐渗硅处理：同实施例1中第2)步，得到了(Ni,Cr)-、(Cu,Cr)-合金化Fe₃Si防护层。

对实施例2镀渗复合处理所得合金化渗层进行物相分析，XRD分析结果如图1所示，从衍射图谱可以看出，渗层主相为合金化Fe₃Si，其衍射峰与标准PDF卡片(35-0519)很好的一致，另外，除了主相成分Fe₃Si外渗层上分别有少量氧化物NiO和Cu64O生成，其中Ni的氧化物是不锈钢在酸性条件下钝化膜的主要成分之一，这会对表面耐蚀性有优异的增强作用。剖面结构如图2所示，相比之下，镀渗复合处理比直接渗硅所得渗层致密性要好，且柯肯达尔孔隙带明显减少。

以实施例2制备的Ni-Cr和Cu-Cr合金化Fe₃Si防护层试样为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和氯化钾甘汞电极为参比电极，室温条件下，在10Vol.％H₂SO₄中测试线极化曲线，起始电位为-1～1V，扫描速率为1mV/s，得到的结果如图3所示，可以看出，复合处理渗层具有明显的钝化特性，Fe₃Si(Cu)发生了二次钝化，Fe₃Si(Ni)发生了多次钝化，同时具有高于基体的自腐蚀电位和低于基体的自腐蚀电流密度，有效提高了基体的耐硫酸腐蚀性能。

以实施例2制备的Ni-Cr和Cu-Cr合金化Fe₃Si防护层试样为工作电极，采用交流阻抗技术测试电极的电化学性能。铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，室温条件下，在10Vol.％H₂SO₄中进行测试，频率范围为100kHz～10mHz，10mV正弦波作为激励信号。与基体的交流阻抗谱对比如图4所示，可以看出渗Fe₃Si(Cu)层的容抗弧半径大约为基体的2倍，Fe₃Si(Ni)层容抗弧半径大约为基体的9倍，说明复合处理后的渗层的耐蚀性更好，这与极化曲线测试结果相一致。

以实施例2制备的Ni-Cr和Cu-Cr合金化Fe₃Si防护层试样和2Cr13基体为对比进行球-盘摩擦磨损试验，载荷为5N，对磨材料为Al₂O₃，对磨时间为60min，摩擦因数随时间变化曲线如图5所示，可以看出，复合处理的渗层具有低于基材的摩擦系数，属于减摩表面，磨损体积损失如图6所示，Fe₃Si(Cu)防护层使得基材的磨损体积损失降低到1/15，Fe₃Si(Cu)防护层使得基材的磨损体积损失降低到1/21，所以复合处理的渗层有效提高了基材的耐磨性能。

综上，本发明提出了两种合金化Fe₃Si渗层的制备技术方法，一种是利用2Cr13基体成分中的合金元素Cr制备出具有良好钝化性能、耐蚀性好和耐磨性高的Cr合金化渗硅层；另一种是通过电镀方法在基体表面先制备一定厚度的Ni、Cu等设计镀层体系，然后经中性熔盐非电解渗硅得到了(Ni,Cr)-、(Cu,Cr)-等合金化Fe₃Si渗层。单纯2Cr13基体情况下，表面性能有所增强，但经过镀层设计性能可进一步增强，最佳的是镀Cu，但Cu/Ni复合却并不是最佳。

以上对本发明实施所提供的仅是合金化Fe₃Si渗层提高2Cr13不锈钢耐磨、抗蚀综合性能的熔盐非电解制备方法而进行的详细介绍，文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而对于本领域的一般技术人员均可依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上能相应改变调整，故本说明书内容不应理解为对本发明的限制。