本發(fā)明屬于機械能助滲領域，特別涉及一種真空機械能助滲鋅鋁鉻合金層及其制備方法。

背景技術：

機械能助滲是20世紀90年代我國首先開發(fā)的一項表面處理新技術。它利用運動的粉末粒子沖擊被加熱的工件表面,粒子的運動(機械能)激活表面點陣原子,形成空位,降低了擴散激活能,將純熱擴滲的點陣擴散變?yōu)辄c陣缺陷擴散,從而大幅度降低擴散溫度,縮短擴散時間,節(jié)能效果十分顯著，而且提高了產(chǎn)品質量。在機械能助滲的研究中,已開發(fā)出包括機械能助滲鋅，機械能助滲鋁等多種助滲工藝。其中機械能助滲鋅已部分替代熱鍍鋅獲得較為廣泛的應用。而機械能助滲鋁將滲鋁溫度由常規(guī)的粉末滲鋁的900-1050℃,降低到440-600℃，擴滲時間由8-20h,縮短到1-4h，不僅節(jié)能，而且使產(chǎn)品具有優(yōu)良的抗高溫氧化性以及耐蝕性。隨著科學技術和工業(yè)的發(fā)展,原來滲入單一元素所得的滲層已不能完全滿足要求,而多元元素共滲不但能充分發(fā)揮單一元素的各自優(yōu)點,而且還可以賦予金屬材料表面以新的更好的性能。其中機械能助鋅鋁共滲已被研究，然后在已有的研究中，獲得的鋅鋁共滲層組織與滲鋅層相近，滲層的相主要為fezn4,與機械能助滲鋅相比，性能提高不顯著。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是顯著改善機械能助滲鋅鋁合金層的顯微組織結構和合金層性能，本發(fā)明提供一種真空機械能助滲鋅鋁鉻合金層的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術手段實現(xiàn)上述技術目的的。

一種真空機械能助滲鋅鋁鉻合金層的制備方法，包括如下步驟：

(1)將原材料依次進行打磨處理、堿洗處理、酸洗處理、吹干處理，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉3-10％、鋁粉15-25％、鉻粉4％-12％、氯化銨1-2％、余量為填充劑氧化鋁粉。

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末混合均勻，制得共滲劑。

(4)將步驟(1)的原材料與步驟(3)的共滲劑按一定的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關掉真空閥，通入惰性氣體，反復3-5次，最后抽真空，然后密封；

(6)打開電源開關，使步驟(5)的滾筒升溫并以一定的轉速轉動，待溫度達到設定溫度時開始計時，保溫一段時間后停止加熱以及轉動。

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

所述步驟(1)中，原材料為低碳鋼。

打磨處理：將原材料依次使用400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈。

堿洗處理：將15wt％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出，使用清水清洗干凈。

酸洗處理：將堿洗處理之后的樣品放進15wt％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈。

吹干處理：將酸洗處理之后的樣品使用冷風吹干。

所述步驟(2)中，鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均＞99.5wt.％，氯化銨為100目，純度為工業(yè)純。

所述步驟(4)中，樣品與共滲劑體積比為1:4。

所述步驟(5)中，惰性氣體為氬氣。

所述步驟(6)中，滾筒轉速為13-15r/min，設定溫度為560-600℃，保溫時間3-4h。

采用sem-eds手段，對步驟(7)的樣品滲層進行形貌和成分分析，從而研究滲層的顯微組織結構以及合金層性能。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)通過共滲劑中加入鉻，來改變現(xiàn)有的機械能助滲鋅鋁共滲層組織結構。鉻是一種對鋼的組織結構具有很大影響的元素，由于鉻的存在，改變了鋅鋁層的組織生長，將與機械能助滲鋅層組織相近的機械能助滲鋅鋁共滲層變?yōu)槎鄬庸矟B層組織，而且使其結合更加緊密、牢固，材料抗氧化性、抗腐蝕性具有顯著提高。同時鉻固溶于滲層中，起到固溶強化作用。

(2)通過控制共滲劑中鉻的含量，可以得到不同的滲層組織。例如：含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal、fe2al5、δ(fezn7)等滲層。經(jīng)掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，在這些滲層中，除了含鋅α-fe過渡層外，鋁、鋅都是以與鐵的化合物形式存在，而cr元素則大多以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，沒有發(fā)現(xiàn)cr元素富集的現(xiàn)象。因此這種組織結構大大降低滲層和基體之間的電位差，起到多重保護作用。而且鋅鋁共滲層與基體有良好的附著力，大大提高了材料抗磨蝕、抗腐蝕等綜合性能。

附圖說明

圖1是真空機械能助滲劑配比為al2o3-3％zn-19％al-4％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片。

圖2是真空機械能助滲劑配比為al2o3-10％zn-15％al-8％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片。

圖3是真空機械能助滲劑配比為al2o3-7％zn-25％al-12％cr-2％nh4cl的掃描電鏡照片。

上述含量均為重量百分比含量。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

實施例1

為了符合和適應一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實驗中使用一般低碳鋼20鋼作為金屬基體材料，使用線切割機加工成15mm×15mm×3mm的規(guī)格。

(1)將20鋼依次進行打磨處理(400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈)、堿洗處理(使用酒精燈將15％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出使用清水清洗干凈)、酸洗處理(將堿洗處理之后的樣品放進15％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈)、吹干處理(將酸洗處理之后的樣品使用冷風吹干)，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉3％、鋁粉19％、鉻粉4％、氯化銨1％、余量為填充劑氧化鋁粉；其中鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均為99.7wt.％。氯化銨為100目，純度為工業(yè)純；

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末在大玻璃罐中混合均勻，制得共滲劑。

(4)將步驟(1)的20鋼與步驟(3)的共滲劑按1:4的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關掉真空閥，通入氬氣，反復3-5次，最后抽真空，然后密封。

(6)打開電源開關，使步驟(5)的滾筒升溫并以13r/min的轉速轉動，待溫度達到560℃時開始計時，保溫4h后停止加熱以及轉動；

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

通過上述步驟得到的真空機械能助滲劑配比為al2o3-3％zn-19％al-4％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片如圖1所示，可以看出，由基體往外依次為含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal、fe2al5層。其中鋅含量較高的含鋅α-fe，分布在含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal滲層中。其中feal層交錯進入fe2al5層，結合緊密。cr元素則大多以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，沒有發(fā)現(xiàn)cr元素的富集。整個滲層厚度約為95μm。這種多層結構與已有的研究相比，大大提高了材料抗磨蝕、抗腐蝕等綜合性能。

實施例2

為了符合和適應一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實驗中使用一般低碳鋼20鋼作為金屬基體材料，使用線切割機加工成15mm×15mm×3mm的規(guī)格。

(1)將20鋼依次進行打磨處理(400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈)、堿洗處理(使用酒精燈將15％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出使用清水清洗干凈)、酸洗處理(將堿洗處理之后的樣品放進15％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈)、吹干處理(將酸洗處理之后的樣品使用冷風吹干)，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉10％、鋁粉15％、鉻粉8％、氯化銨1％、余量為填充劑氧化鋁粉；其中鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均為99.7wt.％。氯化銨為100目，純度為工業(yè)純。

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末在大玻璃罐中混合均勻，制得共滲劑；

(4)將步驟(1)的20鋼與步驟(3)的共滲劑按1:4的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關掉真空閥，通入氬氣，反復3-5次，最后抽真空，然后密封。

(6)打開電源開關，使步驟(5)的滾筒升溫并以15r/min的轉速轉動，待溫度達到580℃時開始計時，保溫3h后停止加熱以及轉動。

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

通過上述步驟得到的真空機械能助滲劑配比為al2o3-10％zn-15％al-8％cr-1％nh4cl的掃描電鏡照片如圖2所示，隨著共滲劑中鉻比例的增加，從基體往外依次為含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal、δ(fezn7)層，其中鋅含量較高的含鋅α-fe，分布在含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、feal滲層中。從圖中可以看出，feal層變厚，而fe2al5層消失，在外層出現(xiàn)新的δ(fezn7)層。其中在γ(fe3zn10)層靠近feal層的附近，含鋅量稍高。整個滲層厚度約為95μm。在這四層滲層中，除了含鋅α-fe過渡層外，鋁、鋅都是以與鐵的化合物形式存在，而cr元素仍以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，沒有cr元素富集現(xiàn)象。這種多層組織結構大大降低滲層和基體之間的電位差，從而能起到多重保護作用。

實施例3

為了符合和適應一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實驗中使用一般低碳鋼20鋼作為金屬基體材料，使用線切割機加工成15mm×15mm×3mm的規(guī)格。

(1)將20鋼依次進行打磨處理(400#至2000#砂紙打磨，然后使用清水、無水乙醇依次清洗干凈)、堿洗處理(使用酒精燈將15％的naoh溶液加熱到80-90℃,然后將打磨處理之后的樣品放進該溶液中堿洗4-5min，然后取出使用清水清洗干凈)、酸洗處理(將堿洗處理之后的樣品放進15％的hcl溶液中酸洗2-3min，然后取出，依次使用清水、無水乙醇清洗干凈)、吹干處理(將酸洗處理之后的樣品使用冷風吹干)，然后放到干燥箱備用。

(2)按比例稱量好以下重量百分比的共滲劑粉末：鋅粉7％、鋁粉25％、鉻粉12％、氯化銨2％、余量為填充劑氧化鋁粉；其中鋅粉、鋁粉、鉻粉、氧化鋁粉均為200目，純度均為99.7wt.％。氯化銨為100目，純度為工業(yè)純。

(3)室溫下，將步驟(2)的共滲劑粉末在大玻璃罐中混合均勻，制得共滲劑。

(4)將步驟(1)的20鋼與步驟(3)的共滲劑按1:4的體積比一起裝入多元金屬共滲爐的滾筒中，其中滾筒預留1/3的容積。

(5)裝填完畢后，將步驟(4)的滾筒蓋蓋緊并用機械泵抽至真空，關掉真空閥，通入氬氣，反復3-5次，最后抽真空，然后密封；

(6)打開電源開關，使步驟(5)滾筒升溫并以13r/min的轉速轉動，待溫度達到600℃時開始計時，保溫3h后停止加熱以及轉動。

(7)將步驟(6)的樣品隨爐冷卻至室溫，然后取出樣品。

通過上述步驟得到的真空機械能助滲劑配比為al2o3-7％zn-25％al-12％cr-2％nh4cl的掃描電鏡照片如圖3所示，隨著共滲劑中鉻比例的繼續(xù)增加，從基體往外依次為含鋅α-fe、γ(fe3zn10)、δ(fezn7)、feal、δ(fezn7)層，其中鋅含量較高的含鋅α-fe，分布在整個滲層中。從圖中可以看出，feal層變薄而且成小塊狀，δ(fezn7)層繼續(xù)長大，分布在feal層周圍。cr元素仍然以固溶于各層的金屬間化合物中的形式存在，整個滲層厚度約為95μm。這種多層共滲層與基體有良好的附著力，大大提高了材料抗磨蝕、抗腐蝕等綜合性能。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。