低溫滲鉻涂層及其制備方法和應(yīng)用的制作方法

低溫滲鉻涂層及其制備方法和應(yīng)用的制作方法

低溫滲鉻涂層及其制備方法和應(yīng)用的制作方法專利名稱:低溫滲鉻涂層及其制備方法和應(yīng)用的制作方法技術(shù)領(lǐng)域:本創(chuàng)造涉及涂層制備技術(shù),詳細地說是一種低溫滲鉻涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù):用固體粉末法滲鉻的基本原理是將工件埋入配制好的滲劑中,在氬氣氣氛中和肯定溫度下,保溫肯定時間,通過反應(yīng),使鉻滲入工件表層。

由于在高溫氧化性腐蝕環(huán)境下,熱生長的23具有愛護性能,因此通常在鐵基、鎳基等金屬上進展?jié)B鉻涂層,以期在高溫氧化時能形成23愛護性氧化膜。

但是,目前應(yīng)用固體粉末法滲鉻的溫度通常在1000℃以上,這樣高的溫度嚴峻影響基材的組織結(jié)構(gòu)和綜合性能,例如晶粒粗化,強度和塑性變差。

此外,這種工藝的高能耗也大大限制其進展,所以降低滲鉻溫度具有非常重要的工業(yè)應(yīng)用價值。

創(chuàng)造內(nèi)容針對上述不足,本創(chuàng)造的目的是供應(yīng)一種低溫下制備滲鉻涂層的方法及其應(yīng)用,采納本創(chuàng)造滲鉻涂層可以在700℃~800℃下生長23愛護性氧化膜,其工藝簡潔,可以降低滲鉻溫度。

本創(chuàng)造的技術(shù)方案如下一種低溫滲鉻涂層,其成分為共電沉積層中的和稀土氧化物,以及滲入的鉻元素,其中可以為、、;涂層各元素的含量,按質(zhì)量份數(shù)計,滲鉻涂層中表面層鉻的含量為50~90份,稀土氧化物4~8份,其余為。

其制備方法是以金屬、、、碳鋼或低合金鋼為基材,首先,利用電鍍技術(shù),實現(xiàn)與稀土氧化物的共電沉積,制備出納米晶復(fù)合鍍層,即-復(fù)合涂層=、或,此鍍層作為前驅(qū)體,其中推舉選擇與基體材料的主要組成元素全都,以避開或降低在高溫服役環(huán)境下引起的滲鉻涂層與基體的互集中。

復(fù)合電鍍的鍍液為硫酸鹽體系4,共電沉積過程中通過多孔板以150上下攪拌使稀土氧化物顆粒懸浮在鍍液中,勻稱沉積在試樣表面;鍍液溫度為25~35℃,電流密度為1~32,~2小時,鍍層中的稀土氧化物含量為4~8質(zhì)量份數(shù)。

其次,固體粉末法滲鉻,按質(zhì)量份數(shù)計,滲劑配方為45~50份鉻粉100~200目,50~45份23粉100~200目,4-6份4。

工藝為升溫到600℃~800℃,保溫5小時,隨爐冷卻,整個滲鉻過程中以400~500的速度通入氬氣,以防氧化。

本創(chuàng)造基本原理如下電鍍制備的復(fù)合鍍層為納米晶組織,其中豐富的晶界為的集中供應(yīng)了快速集中通道,增加了在低溫下的集中力量,所以使?jié)B鉻溫度由傳統(tǒng)的1000℃以上降低為600℃~800℃。

本創(chuàng)造制備的稀土氧化物改性的滲鉻涂層,其中在700~800℃下,確保熱生長連續(xù)的愛護性23氧化膜。

同時,涂層中由于摻入稀土氧化物,它能提高其抗高溫氧化性能。

滲鉻過程可以被分為四個步驟,其中最慢的,受溫度影響最大的步驟就是沉積在表面的原子通過固相集中向里滲入的過程,所以為了增加在低溫下的固相集中力量,通過預(yù)先復(fù)合電鍍,在基材表面獲得納米晶的復(fù)合鍍層,其豐富的晶界可以大大增加的集中力量。

所獲得的納米晶復(fù)合鍍層為-,為、或,為稀土氧化物2、23或23,這種表層獲得的無碳納米晶組織,避開了碳與的結(jié)合而阻礙的向內(nèi)集中,然后在600℃~800℃滲鉻,同時也將稀土氧化物=、或加入到了滲鉻涂層中形成了稀土氧化物改性的滲鉻涂層。

該涂層可在700℃~800℃下熱生長連續(xù)的、致密的愛護性23氧化膜。

此外,在前驅(qū)體上獲得的涂層也避開了傳統(tǒng)碳鋼滲鉻中一些有害相36、σ-的形成,這些有害相經(jīng)常降低涂層的抗氧化力量。

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本創(chuàng)造采納了二步法,預(yù)先獲得的涂層為納米晶組織,其豐富的晶界增加了滲鉻過程中鉻的集中,從而使溫度降低,溫度的降低減小了滲鉻過程中對基體金屬組織和性能的損傷。

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與現(xiàn)有技術(shù)中的23愛護性氧化膜相比,本創(chuàng)造的滲鉻涂層中的含量以質(zhì)量份數(shù)計達到50~90份。

該含量確保涂層在開頭氧化時就生長愛護性23氧化膜,并且涂層中有足夠的鉻元素向外集中來維持23氧化膜的穩(wěn)定生長。

添加稀土氧化物,可使氧化膜更致密,生長速度明顯降低。

采納本創(chuàng)造制備的滲鉻涂層可在700℃~800℃下能夠熱生長連續(xù)的、致密的愛護性23氧化膜。

以本創(chuàng)造的一種2改性的滲鉻涂層為例,與分別在一種粗晶表面直接滲鉻以及在低碳鋼上預(yù)先沉積單鍍層后在相同條件下滲鉻獲得的兩種滲鉻涂層的氧化性能作比較,試驗結(jié)果表明本創(chuàng)造2改性的滲鉻涂層在700℃氧化40小時后,與沒有添加稀土氧化物的涂層相比,氧化增重明顯降低。

、成熟,成本低。

本創(chuàng)造采納固體粉末法滲鉻,溫度的降低節(jié)省了能耗,而且滲劑可重復(fù)利用,成本較低,且操作簡潔,對工件外形的要求很低,因此,應(yīng)用范圍很廣。

圖1-為粗晶的形貌。

圖1-為單鎳鍍層的明場像。

圖1-為本創(chuàng)造-稀土氧化物復(fù)合鍍層的明場像。

圖2-為現(xiàn)有技術(shù)中粗晶700℃滲鉻涂層上一個實施例的截面組織。

圖2-為現(xiàn)有技術(shù)中單鎳鍍層700℃滲鉻涂層上一個實施例的截面組織。

圖2-為本創(chuàng)造-稀土氧化物復(fù)合鍍層700℃滲鉻涂層上的截面組織。

圖3為本創(chuàng)造一個實施例在700℃滲鉻后的鉻元素在涂層中的含量分布。

圖4為在700℃下粗晶滲鉻、單鎳鍍層上滲鉻層及本創(chuàng)造-2復(fù)合鍍層上滲鉻層在700℃氧化40小時的重量變化曲線。

圖5為在700℃下粗晶滲鉻、單鎳鍍層上滲鉻層及本創(chuàng)造-2復(fù)合鍍層上滲鉻層在700℃氧化40小時后的表面相分析的光衍射結(jié)果。

圖6-為現(xiàn)有技術(shù)中一個實施例粗700℃滲鉻涂層在700℃氧化40小時后的表面形貌。

圖6-為現(xiàn)有技術(shù)中一個實施例的單鎳鍍層上的700℃滲鉻涂層在700℃氧化40小時后的表面形貌。

圖6-為本創(chuàng)造一個實施例的-2復(fù)合鍍層上獲得的2改性的700℃滲鉻涂層在700℃氧化40小時后的表面形貌。

圖7-為現(xiàn)有技術(shù)中一個實施例的粗700℃滲鉻涂層在700℃氧化40小時后的截面形貌。

圖7-為現(xiàn)有技術(shù)中一個實施例的單鎳鍍層上700℃滲鉻涂層在700℃氧化40小時后的截面形貌。

圖7-為本創(chuàng)造一個實施例的-2復(fù)合鍍層上獲得的2改性的700℃滲鉻涂層在700℃氧化40小時后的截面形貌。

圖8為本創(chuàng)造-稀土氧化物復(fù)合鍍層600℃滲鉻涂層上的截面組織。

圖9為在600℃下粗晶滲鉻、單鎳鍍層上滲鉻層及本創(chuàng)造-2復(fù)合鍍層上滲鉻層在800℃氧化10小時的重量變化曲線。

詳細實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例詳述本創(chuàng)造。

實施例本實施例以在低碳鋼上先-2復(fù)合電鍍,然后集中滲鉻制備2改性的滲鉻涂層為例稀土氧化物改性的滲鉻涂層的成分表面層鉻含量為50-90份,其成分從表面到內(nèi)部為漸漸削減的分布變化狀態(tài)。

氧化物2為4-8份,余量為、或,來自復(fù)合鍍層;其制備方法是采納復(fù)合電鍍技術(shù)制備-稀土氧化物復(fù)合涂層。

為、或,一般選與基體材料主要組元相同的元素。

基體材料為抗氧化性能較差的、、、碳鋼、合金鋼,常用的硫酸鹽體系4鍍液。

本實施例選用低溫中性硫酸鹽鍍液,制備-2復(fù)合鍍層,然后在其上滲鉻,分別制備2改性的滲鉻涂層。

其流程如下基材金屬碳鋼—表面打磨至800#水砂紙—表面超聲清洗—在含2的鍍鎳槽液中進行復(fù)合電鍍—獲得-2納米晶復(fù)合鍍層—滲鉻—獲得2改性的滲鉻涂層。

本創(chuàng)造的關(guān)鍵是電鍍時保持2顆粒懸浮在槽液中,電鍍時掌握工藝和渡液成分保證獲得納米晶,滲鉻時掌握配方及工藝。

本實施例采納傳統(tǒng)的復(fù)合電鍍設(shè)施及固體粉末法滲鉻設(shè)施來制備。

詳細如下1取碳鋼為基材,加工成15102尺寸的試樣,經(jīng)水磨砂紙磨至800#砂紙,在***中超聲清洗;2選用的納米尺寸的2粉,納米尺寸為5~50納米。

顆粒先浸泡在十二烷基硫酸鈉溶液中,以便顆粒分散,避開團聚;3電鍍液采納低溫型鍍液,成分如下472150,415,3315,;配置的溶液經(jīng)過充分攪拌后過濾,放置24小時;~;4共電沉積過程采納板泵式裝置攪拌鍍液,以保證鍍液中稀土氧化物顆粒懸浮在鍍液中,勻稱沉積在試樣表面;鍍液溫度為30℃,電流密度為12,攪拌速度為150。

電鍍時間為2小時,試樣平均鍍層厚度為30μ,2復(fù)合量為4~8份質(zhì)量份數(shù);5然后滲鉻。

滲鉻劑的配方為按質(zhì)量份數(shù)計50份鉻粉200目,45份23粉200目,5份4試劑尺寸。

工藝為隨爐升溫到700℃和600℃保溫5小時,隨爐冷卻,整個滲鉻過程中以400速度通入氬氣;6試樣取出后在蒸餾水中煮20分鐘。

滲鉻前的晶粒度從圖1-看出,粗的晶粒尺寸平均為20μ,從圖1-、1-看出單鎳鍍層和-稀土氧化物復(fù)合鍍層均為納米晶。

700℃滲鉻后的截面組織滲鉻后的截面組織如圖2-、2-、2-,從圖2-中看出,粗滲層看上去不太明顯,厚度大約是5μ。

從圖2-中,可以看出單鎳鍍層上的滲鉻層厚度約10μ。

在圖2-中,-2復(fù)合鍍層上的滲鉻層厚度約20μ。

對于圖2-、圖2-來說,滲鉻層厚度的明顯差異是由于復(fù)合鍍層的納米晶結(jié)構(gòu)增加了的集中力量。

而對于圖2-、圖2-來說,-2復(fù)合鍍層上的滲鉻層厚度的增加是由于2粒子在滲鉻過程中延遲了納米晶粒的長大,從而增加了的集中力量。

從形貌上來看,-2復(fù)合鍍層上的滲鉻層有孔洞,這是由于2粒子在晶界處團聚,這些位置在腐刻時較快,形成孔洞圖1-。

圖3為粗滲鉻、單鎳鍍層上滲鉻、-稀土氧化物復(fù)合鍍層上滲鉻后鉻沿截面上的濃度分布,可以看出添加了2的滲層的鉻含量高于單鎳鍍層上和粗上的鉻含量,且深度增加。

700℃滲鉻涂層在700℃的抗氧化性能氧化試驗在試驗室環(huán)境下進行,氧化溫度為700℃,氧化40小時。

氧化后三種試樣均未剝落。

圖4為氧化的重量變化曲線,其中添加2的涂層氧化增重最少,抗氧化性能最好。

圖5為氧化后的分析,表明在單鎳鍍層上和復(fù)合鍍層上均主要由23組成,而粗上主要由和24組成。

圖6-、6-、6-為氧化后試樣的表面形貌其中右邊為左邊部分區(qū)域的放大圖。

粗滲鉻涂層氧化后表面很不平整圖6-,結(jié)果表明單鎳鍍層上氧化后大部分區(qū)域1為富氧化物,少部分區(qū)域2為富的氧化物。

相反的,單鎳鍍層和復(fù)合鍍層上氧化后的表面較平整,對比高倍像,我們可以發(fā)覺2改性的滲鉻層氧化后表面晶粒細小圖6-,這結(jié)果說明2的存在對氧化膜的生長有明顯影響。

三種涂層的氧化后的截面形貌如圖7-、7-、7-所示其中右邊為左邊部分區(qū)域的放大圖。

粗滲鉻層氧化后的氧化層圖7-很不勻稱,有些位置很厚,有些位置很薄。

從圖7-、7-可以看出在單鎳鍍層滲鉻涂層上和在復(fù)合鍍層滲鉻層上已經(jīng)形成了一層連續(xù)、致密的23愛護膜。

而且,-2復(fù)合鍍層上的氧化層更薄,不過,涂層中有很多小坑,2顆粒處于小坑內(nèi),如前所述這是蝕刻后留下的腐蝕坑。

600℃滲鉻后的截面組織600℃滲鉻后的截面組織如圖8所示,對比700℃滲鉻后的截面組織,由于溫度的降低,滲鉻層的厚度有所降低。

而在此溫度下,單鍍層與粗滲鉻后滲層厚度幾乎為零,只是在表面沉積了一層濃度約為30%重量的原子。

600℃滲鉻涂層在800℃的抗氧化性能氧化試驗在試驗室環(huán)境下進行,氧化溫度為800℃,氧化時間為10小時。

圖9為氧化的重量變化曲線,可以看出本創(chuàng)造即添加2的涂層氧化增重最少,抗氧化性能最好。

本創(chuàng)造的2改性的滲鉻涂層,可作為抗高溫氧化或腐蝕的防護涂層,用于800℃及800℃以下抗氧化性能較差的鐵素體或奧氏體鋼材,以及金屬、、等的抗氧化或腐蝕的涂層。

并且,該改性涂層可望用與燃煤鍋爐、氣化爐、垃圾焚燒爐內(nèi)相關(guān)部件環(huán)境溫度在800℃以下的用碳鋼和低合金鋼制造的管道例如水冷壁管、蒸發(fā)管、換熱管等的防護涂層。

,其特征在于其成分由滲入的鉻和來自復(fù)合鍍層金屬及稀土氧化物組成,其中為、或,稀土氧化物為2、23或23;按質(zhì)量份數(shù)計,滲鉻涂層中表面層鉻含量為50~90份,稀土氧化物4~8份,其余為。

,其特征在于涂層的制備分為先后兩個步驟1以金屬、或,碳鋼或低合金鋼為基材,在基材上預(yù)先用共電沉積的方法通過加入稀土氧化物制備-納米晶復(fù)合鍍層,此鍍層作為前驅(qū)體;2然后用固體粉末包埋法在-納米晶復(fù)合鍍層上滲鉻,制得稀土氧化物改性的滲鉻涂層。

,其特征在于所述步驟1的-復(fù)合鍍層中,為、或,為稀土氧化物2、23或23;按質(zhì)量份數(shù)計,稀土氧化物4~8份,其余為。

,其特征在于所述步驟1共電沉積過程中通過攪拌使稀土氧化物顆粒懸浮在鍍液中,勻稱沉積在試樣表面;鍍液溫度為25~35℃,電流密度為1~32,~2小時。

,其特征在于所述步驟2在-復(fù)合鍍層上滲鉻后獲得稀土氧化物改性的滲鉻涂層,按質(zhì)量份數(shù)計,表面層含量50~90份,稀土氧化物含量為4~8份。

,其特征在于按