銅表面料漿包滲Ni-Al(Si，Ti，Cr)滲層組織結構及性能研究.pdf

1、本文采用鍍鎳-料漿包滲技術對純銅進行了表面改性處理。首先在純銅表面預鍍鎳層，再以Al、SiO2、TiO2和Cr2O3粉末作為滲源，在鎳鍍層表面進行料漿包滲處理，制備了Ni-Al（Si，Cr，Ti）滲層。采用掃描電鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、X射線衍射（XRD）等手段對滲層的表面形貌、相結構、截面元素分布進行了分析，并從熱力學和動力學上分析了滲層形成機理；同時對各種滲層的高溫氧化性能、耐磨性能和導電性能進行了研究。 通過研究

2、包滲溫度、時間、滲劑中活化劑NH4Cl和Al2O3含量對滲Al層組織結構的影響發(fā)現(xiàn)：滲鋁層的組織都為Ni2Al3相金屬間化合物，但化合物中鋁原子含量隨包滲溫度升高、時間延長和Al2O3含量增加而降低，而隨NH4Cl含量增加而增加?；钚訟l原子的運輸主要依靠低價氯化物AlCl和AlCl2完成，并通過自身的歧化反應實現(xiàn)沉積。 研究了活化劑種類（NH4Cl、NaF和Na3AlF6）、鋁粉含量、包滲溫度、時間和稀土含量對Si-Al二元滲

3、層組織結構的影響。結果表明：由10％NaF+10％ NH4Cl組成的復合活化劑所制備的滲層具有較高的硅含量和較致密的結構。當鋁粉含量在10～45％范圍內(nèi)，滲層組織出現(xiàn)以下轉變：Ni3Si→Ni3Si+Ni31Si12→Ni31Si12+Ni2Si→Ni3Si+NiAl，包滲過程由滲硅為主的Si-Al二元共滲轉變?yōu)闈B鋁為主Al-Si二元共滲：當包滲溫度在750～950℃內(nèi)，滲層組織相應變化過程為：Ni31Si12→Ni31Si12+Ni2

4、Si→Ni31Si12+Ni2Si+NiAl；包滲時間在6～48h內(nèi)，組織變由Ni31Si12為主相轉變?yōu)镹i2Si為主相。滲劑中鋁粉含量為20wt.％時，稀土改性滲層表面晶粒細化、致密，組織由Ni2Si為主相和Ni31Si12相組成。稀土含量為6％時，鋁粉含量增加導致滲層組織變化為：Ni2Si+NiSi→NiAl→Ni2Al3，包滲過程由滲硅向滲鋁轉變?；钚許i原子的運輸和沉積主要是依靠氣態(tài)鹵化物SiCl2、SiCl3、SiF2和自身

5、的歧化反應來完成。 研究了鋁粉含量、包滲溫度和稀土對Ti-Al二元滲層組織結構的影響。結果表明：當鋁粉含量在15～45％時，滲層組織變化為：Ni4Ti3+Ni2Ti+Ni3Ti→Ni4Ti3+Ni2Ti+NiAl→Ni4Ti3+NiAl→Ni4Ti3+NiAl+Ni2Al3，包滲過程由滲鈦為主的Ti-Al二元共滲轉變?yōu)闈B鋁為主Al-Ti二元共滲；當溫度在800～950℃范圍內(nèi)，滲層組織變化過程為：NiAl主相+Ni3（Ti，Al

6、）→NiAl主相+Ni3（Ti，Al）+Ni4Ti3→Ni4Ti3+NiAl→NiAl主相+Ni3（Ti，Al）+NiTi。鋁粉含量35％，添加6％稀土時，滲層的組織為單相NiAl金屬間化合物?；钚訲i原子的運輸主要依靠低價氣態(tài)的TiCl2和其自身的歧化反應進行沉積。 研究了鋁粉含量、包滲溫度和稀土含量對Cr-Al二元滲層組織結構的影響。結果表明：當鋁粉含量在5～20％范圍，滲層組織為Ni（Cr，Al）固溶體，鉻的固溶度由1.2

7、1％增加到3.65％，晶面（200）出現(xiàn)明顯的擇優(yōu)生長，而鋁的固溶度變化不大（1.0％左右）；當鋁粉含量為25％，滲層組織由NiAl主相和少量Ni2Al3相混合組成，包滲過程由低鋁粉含量時滲Cr為主的二元滲轉變?yōu)闈BAl為主的Al-Cr二元滲。當溫度在800～950℃內(nèi)，鉻的固溶度由12.37％下降為2.07％，滲層組織仍為固溶體結構，晶面（200）仍有擇優(yōu)生長現(xiàn)象。滲劑中鋁粉含量為15％時，添加3～10％稀土，改性滲層的表面呈結晶態(tài)形貌

8、，組織由Ni（Cr）固溶體和Ni3Al相組成?；钚訡r原子的運輸主要靠氣態(tài)的CrCl2，并與鎳發(fā)生置換反應進行沉積。 在900℃、25～250h氧化后，滲層與純銅的氧化結果比較表明：（a）滲鋁層氧化增重為純銅的1/24，氧化產(chǎn)物為單一的Al2O3，氧化層致密，氧化后的滲層組織為富鋁的NiAl金屬間化合物；（b）Si-Al滲層氧化增重為純銅的1/4，氧化物為SiO2、NiO和Al2O3混合組成。氧化層表面結構疏松，有氧化物脫落；稀

9、土改性Si-Al滲層的氧化增重為純銅的1/14，氧化產(chǎn)物為SiO2、NiO和Al2O3，表面氧化層致密，氧化物顆粒細?。唬╟）Ti-Al滲層氧化增重為純銅的1/10，氧化產(chǎn)物為TiO2、Al2O3和NiO混合物，還出現(xiàn)少量的NiAl2O4相，氧化層表面出現(xiàn)較大的裂紋，稀土改性Ti-Al滲層氧化增重為純銅的1/28，氧化產(chǎn)物為TiO2、Al2O3和少量的NiO，氧化層致密，沒有明顯的裂紋和空洞出現(xiàn)，在氧化150h前，氧化產(chǎn)物為TiO2和A

10、l2O3混合物。稀土改性Ti-Al滲層的抗氧化性最好；（d）Cr-Al滲層的氧化增重為純銅的1/6。氧化前150h，氧化產(chǎn)物為NiO和Cr2O3兩相混合的氧化產(chǎn)物，氧化層表面疏松。稀土改性Cr-Al滲層氧化增重為純銅的1/10，在氧化150h前，氧化產(chǎn)物為Cr2O3、Al2O3和NiO混合物。 滲層的顯微硬度與磨損實驗結果表明：（1）滲Al層的最低硬度為純銅的13倍多，而摩擦系數(shù)和磨損率分別為其1/3和1/49；（2）Si-Al

11、滲層的硬度為純銅的11倍多，磨損率為其1/3。Si-Al滲層和稀土改性滲層的最低摩擦系數(shù)均為純銅的1/5；（3）Ti-Al滲層的最低硬度為純銅的5倍多，磨損率為純銅的1/11。Ti-Al滲層和稀土改性滲層的最低摩擦系數(shù)分別為純銅的1/6和1/3；（4）Cr-Al滲層的最低硬度為純銅的2倍多，磨損率為純銅的1/2。Cr-Al滲層和稀土改性滲層的最低摩擦系數(shù)均為純銅的1/3。 導電性能的研究表明銅表面鍍鎳料漿包滲Ni-Al（Si，T