Fe-Al共滲強化紫銅表面的研究.pdf

1、在電力、電子、化工、冶金等生產(chǎn)領(lǐng)域，許多重要零部件采用紫銅材質(zhì)制造，人們希望可以在不降低其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能的前提下，提高其表面高溫抗氧化、耐磨性。在前人研究滲鋁工藝的基礎(chǔ)上，對紫銅表面進(jìn)行Fe-Al共滲，使其表面形成高強度的合金層，成為這些領(lǐng)域修復(fù)、強化零部件，延長使用壽命的新途徑。本文利用固體粉末法在紫銅表面制備出Fe-Al共滲層，并對共滲層的微觀組織、共滲元素的擴散機理、工藝、共滲層的高溫抗氧化性能和耐磨性能等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了影

2、響共滲層組織及性能的因素及規(guī)律。 滲劑組分是固體法制備Fe-Al共滲層的關(guān)鍵。試驗表明，Al粉+NH4Cl+Al2O3粉組分在加熱過程中，當(dāng)滲層中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于9.4％時，析出γ2相，根據(jù)其滲入質(zhì)量分?jǐn)?shù)多少，滲層組織為共析體和過共析體，γ2相脆性較大，大大降低了滲層與基體的結(jié)合強度。與此相比，加入了鐵粉的滲劑(Fe粉+Al粉+NH4Cl+Al2O3粉)共滲過程中，F(xiàn)e能形成異質(zhì)核心，強化亞共析體，阻滯共析轉(zhuǎn)變β→α+γ2，擴大

3、α(Cu)相區(qū)，減少β相及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物α+γ2共析體，消除“緩冷脆性”，制備的滲層組織為亞共析體，明顯提高了滲層的力學(xué)性能和耐磨性。 滲金屬元素是通過對活性劑加熱分解、與金屬元素產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，并使金屬元素達(dá)到足夠多的滲入元素的活性原子，擴散聚集吸附到工件表層并滲入到內(nèi)部。主要過程是活性[Al]、[Fe]原子在紫銅基體中的擴散，屬于反應(yīng)擴散，擴散的宏觀規(guī)律符合Fick第一定律，擴散機制為置換溶質(zhì)原子-空位復(fù)合體擴散。首先，NH4

4、Cl與Al粉、Fe粉進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的活性原子[Al]、[Fe]；其次，紫銅表面特別是表面結(jié)構(gòu)缺陷，如各種空位、位錯處有較高的自由能，將大量的活性原子[Al]、[Fe]吸附在表面；最后，表面與基體內(nèi)部建立起濃度差，空位與置換原子交換，從而，鐵、鋁原子不斷滲入紫銅內(nèi)部。 滲劑組分、加熱溫度、保溫時間和冷卻方式等工藝參數(shù)影響著共滲層的厚度和組織結(jié)構(gòu)。通過正交試驗，確定理想的工藝參數(shù)為：滲劑成分30％鋁粉+6％鐵粉+2％NH4C

5、l+62％Al2O3粉，加熱溫度800℃，保溫時間6h，冷卻方式為爐外空冷。試樣表面致內(nèi)部組織依次為α+(α+γ2)亞共析體、α固溶體、Cu金屬。 通過對母材、共滲層的高溫氧化和磨損對比試驗表明，在相同條件下，F(xiàn)e-Al共滲層的氧化增量是紫銅的1/3～1/4，耐磨性是母材紫銅的2.05～2.16倍，具有優(yōu)異的抗高溫氧化和磨損性能。滲層的氧化過程中氧化行為及其氧化層的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，Al原子優(yōu)先氧化形成致密的Al2O3膜，保護(hù)了紫