铸铁喷涂渗铝工艺和性能

工程科学学报，第39卷.第6期：889-895,2017年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.6:889-895,June 2017 D0I:10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.011;htp://journals.ustb.edu.cn 铸铁喷涂渗铝工艺和性能 胡 宁四，樊自拴 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:1193932371@qq.com 摘要采用线材火焰喷涂制备铝基涂层，随后对涂层进行重熔和扩散处理.利用扫描电镜，X射线衍射仪、能谱仪、摩擦磨 损实验仪等对涂层的成分、物相、耐高温氧化性能、耐蚀性能等进行分析测试.结果表明：涂层分为两层，外层的物相主要是 A1,FeA山，、内层是Fe2AL,和少量的FeA山；显微硬度有了很大程度的提高，峰值可达HV950:渗铝试样在800，、900℃进行高温氧 化实验几乎不增重，抗氧化性能较铸铁可提升几十倍：同时试样也兼具良好的耐摩擦磨损和耐腐蚀性能. 关键词铸铁：火焰喷涂；渗铝；扩散处理；高温氧化 分类号TG174.442 Process and properties of spray-aluminized coating on cast iron HU Ning,FAN Zi-shuan School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:1193932371@qq.com ABSTRACT Aluminum-based coatings were prepared by flame spraying.After remelting and diffusion treatment,the phase,com- position,friction and corrosion resistance were analyzed experimentally by using scanning electron microscopy,X-ray diffraction,ener- gy dispersive spectrometer,wear tester.The results indicate that the surface phase consists of Al and FeAl,inner layer phase mainly contains FeAl,and Fe,Als.The coating has higher micro-hardness than the underlying material,with a maximum of up to HV950.In an experiment of high-temperature oxidation at 800C and 900 C,the spray-aluminized samples show almost no weight gain,and the antioxidant properties of cast iron improve substantially (by dozens of times).In addition,the samples show excellent wear and corro- sion resistance. KEY WORDS cast iron;flame spraying;aluminizing;diffusion treatment;high-temperature oxidation 铸铁件因其成本低廉，在工业生产中广泛应用，但 在铸铁渗铝过程中形成的Fe-Al金属间化合物具 在800~900℃工况条件下耐氧化性能较差容易发生 有特殊晶体结构，会造成C、Sⅰ在一定程度上的富集， 氧化致使工件报废，造成更换频率快，一定程度上降低 使得Fe、Al原子间的相互扩散产生障碍，渗层厚度较 了生产效率，生产成本较高山 钢来说偏薄，目前有关铸铁渗铝的报道还不多).实 作为表面改性手段，热喷涂和热浸镀备受青睐，目 验采用火焰喷涂，将铝丝喷涂于铸铁表面，在马弗炉中 前，热浸渗铝工艺在渗铝工艺中发展最为成熟，应用最 进行重熔加热和扩散退火处理，获得了较为理想的渗层 为广泛，已投入到实际的生产应用中2-】.但热浸镀由 于铝液覆盖剂的使用会产生一些含氟气体，同时该工 1实验材料及方法 艺也存在参数不易控制、容易造成漏渗、助镀液不稳 实验用基体材料为HT200,线切割成17mm×20 定、耗铝多、炉胆的寿命较短等缺点，限制了进一步的 mm×8mm块状.铝丝采用热喷涂专用铝丝，成分含量 发展4 如表1所示. 收稿日期：2016-08-18

工程科学学报,第 39 卷,第 6 期:889鄄鄄895,2017 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 6: 889鄄鄄895, June 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 06. 011; http: / / journals. ustb. edu. cn 铸铁喷涂渗铝工艺和性能 胡 宁苣 , 樊自拴 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail: 1193932371@ qq. com 摘 要 采用线材火焰喷涂制备铝基涂层,随后对涂层进行重熔和扩散处理. 利用扫描电镜、X 射线衍射仪、能谱仪、摩擦磨 损实验仪等对涂层的成分、物相、耐高温氧化性能、耐蚀性能等进行分析测试. 结果表明:涂层分为两层,外层的物相主要是 Al、FeAl 3 、内层是 Fe2Al 5和少量的 FeAl 3 ;显微硬度有了很大程度的提高,峰值可达 HV 950;渗铝试样在800、900 益进行高温氧 化实验几乎不增重,抗氧化性能较铸铁可提升几十倍;同时试样也兼具良好的耐摩擦磨损和耐腐蚀性能. 关键词 铸铁; 火焰喷涂; 渗铝; 扩散处理; 高温氧化 分类号 TG174郾 442 Process and properties of spray鄄aluminized coating on cast iron HU Ning 苣 , FAN Zi鄄shuan School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: 1193932371@ qq. com ABSTRACT Aluminum鄄based coatings were prepared by flame spraying. After remelting and diffusion treatment, the phase, com鄄 position, friction and corrosion resistance were analyzed experimentally by using scanning electron microscopy, X鄄ray diffraction, ener鄄 gy dispersive spectrometer, wear tester. The results indicate that the surface phase consists of Al and FeAl 3 , inner layer phase mainly contains FeAl 3 and Fe2Al 5 . The coating has higher micro鄄hardness than the underlying material, with a maximum of up to HV 950. In an experiment of high鄄temperature oxidation at 800 益 and 900 益 , the spray鄄aluminized samples show almost no weight gain, and the antioxidant properties of cast iron improve substantially (by dozens of times). In addition, the samples show excellent wear and corro鄄 sion resistance. KEY WORDS cast iron; flame spraying; aluminizing; diffusion treatment; high鄄temperature oxidation 收稿日期: 2016鄄鄄08鄄鄄18 铸铁件因其成本低廉,在工业生产中广泛应用,但 在 800 ~ 900 益工况条件下耐氧化性能较差容易发生 氧化致使工件报废,造成更换频率快,一定程度上降低 了生产效率,生产成本较高[1] . 作为表面改性手段,热喷涂和热浸镀备受青睐,目 前,热浸渗铝工艺在渗铝工艺中发展最为成熟,应用最 为广泛,已投入到实际的生产应用中[2鄄鄄3] . 但热浸镀由 于铝液覆盖剂的使用会产生一些含氟气体,同时该工 艺也存在参数不易控制、容易造成漏渗、助镀液不稳 定、耗铝多、炉胆的寿命较短等缺点,限制了进一步的 发展[4] . 在铸铁渗铝过程中形成的 Fe鄄鄄Al 金属间化合物具 有特殊晶体结构,会造成 C、Si 在一定程度上的富集, 使得 Fe、Al 原子间的相互扩散产生障碍,渗层厚度较 钢来说偏薄,目前有关铸铁渗铝的报道还不多[5] . 实 验采用火焰喷涂,将铝丝喷涂于铸铁表面,在马弗炉中 进行重熔加热和扩散退火处理,获得了较为理想的渗层. 1 实验材料及方法 实验用基体材料为 HT200,线切割成 17 mm 伊 20 mm 伊 8 mm 块状. 铝丝采用热喷涂专用铝丝,成分含量 如表 1 所示

·890· 工程科学学报，第39卷，第6期 表1HT200和喷涂铝丝的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of aluminum wire and HT200 % 试样 C Si Mn Cu Zn Ti P Fe HT200 3.23.51.51.80.8-1.0 0 0 ≤0.12 ≤0.15 余量 0 铝丝 0 ≤0.3 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.07 ≤0.05 0 0 ≤0.4 99.6 喷涂实验流程如下： 室温，用分析天平称量增重后再次放入炉中氧化，重复 除油→除锈→喷砂→火焰喷涂→重熔→扩散退 以上操作6次.摩擦磨损实验在HT600高温摩擦磨损 火→表面处理. 试验机上进行，磨损轮廓和体积用HSR200-3型金刚 在热喷涂铝丝之前，应对试样进行除油、除锈、喷 石触针电感式轮廓测量仪进行测试 砂处理.除油采用有机溶剂如丙酮进行清洗，然后用 全浸泡实验：将铸铁和喷涂渗铝试样浸入5%（质 水冲洗2~3min,保证清洗干净.除锈使用10%~ 量分数)NaCl溶液，放置在恒温培养箱内，温度为25 20%(体积分数)的HC1水溶液进行清洗，常温，清洗 ℃，浸泡时间720h.取出后去除表面腐蚀产物)，用 时间1~2min,根据锈蚀程度清洗时间可适当延长[o]. FA1104N电子天平称量实验前后重量，计算腐蚀失重 喷砂则根据表面质量的要求进行操作，实验根据工业 和腐蚀速率] 上普遍使用的并可以作为验收技术要求及标准的级别 Sa2.5级来进行表面处理，其目的在于去除表面腐蚀 2结果与分析 产物，增大表面粗糙度，在喷砂结束之后尽可能的立即 2.1渗层微观组织 进行喷涂铝丝，以便获得期望的喷涂涂层 图2为喷涂渗铝涂层的背散射图像和特殊点的成 火焰喷涂：采用纯铝丝材进行氧乙炔焰火焰喷涂， 分分析，从图像可看出涂层分为两层，外层深灰色，其 涂层厚度控制在0.5mm左右，火焰喷涂装置如图1 中分布着针状相FeAL,内层浅灰色并向基体延伸了很 所示. 长的距离，与基体接触的地方呈现锯齿状分布且出现 许多黑色点状物，涂层的总厚度可达600um.从能谱 喷枪 丝盘 分析图中可看出外层（点1）主要是A1元素，其中分布 的针状相（点2），内层（点3）主要成分是Fe、A,定量 分析可得原子比分别为1：3和2：5，涂层末端的黑点 (点4)则是大量的C、Si原子的富集区域. 压缩空气 图3是喷涂渗铝试样截面面分布图谱，从中可直 观地看出各个元素的分布状况.A!元素的分布外层含 图1火焰喷涂装置 量最高，到内层时颜色逐渐变暗，进一步深人到基体中 Fig.I Flame-spraying equipment 则呈现黑色，证明已没有Al的存在，Fe元素的分布与 借鉴于激光重熔技术，先将试样放入880℃的马 A!恰恰相反.C、Si的分布则可看出呈现一定的聚集， 弗炉中半固相烧结20min,铝层瞬间熔化成液相，在界 因为C、Si不溶于Fe-Al形成的晶格结构，被排挤到渗 面处与基体发生强烈的互扩散，与基体实现了治金结 层边缘，造成元素的富集 合，取出冷却至室温后再放入800℃的恒温炉中进行 图4是逐层测试得到的渗层物相，a是涂层表面 扩散处理3.5h,铝原子进一步向铸铁基体内部扩散， 的物相，e是铸铁材料的物相，b、c、d是涂层外层依次 从而获得较深的渗层.待扩散完成之后，试样表面会 过渡到内层的物相变化情况.从图中的结果也可看 粗糙不平，用细砂纸进行表面处理即可) 出，涂层表面的物相主要是A1和A,O3,因为试样在重 线切割喷涂渗铝试样的截面并进行制样，用扫描 熔和扩散处理过程中是直接在高温马弗炉中进行的， 电镜观察试样截面形貌，并测量渗层厚度，采用能谱仪 没有采取气氛保护，试样表面直接与空气接触，表面会 对渗层特殊点进行元素分析.渗层物相进行检测时， 不可避免的发生氧化，因此表层出现L,0,的物相：涂 从表面开始，每次用砂纸磨去100μm左右，分别逐层 层外层主要是Al和FeAL3,逐渐出现Fe2A山，相，而到内 进行物相检测，直至不再出现Fe-A1的金属间化合物 层后物相主要是Fe,AL,· 为止 2.2影响渗层厚度的因素 铸铁和喷涂渗铝试样分别取3个做平行样，高温 2.2.1C、Si对渗层的影响 氧化实验时将试样放入坩埚中称重，随后将装有试样 铸铁材料具有较高的C、Sⅰ含量，在喷涂渗铝原子 的坩埚放人到800、900℃的炉中保温5h,取出空冷至 相互扩散的过程中，C、Si不溶于Fe-Al形成的晶格结

工程科学学报,第 39 卷,第 6 期 表 1 HT200 和喷涂铝丝的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical compositions of aluminum wire and HT200 % 试样 C Si Mn Cu Zn Ti P S Fe Al HT200 3郾 2 ~ 3郾 5 1郾 5 ~ 1郾 8 0郾 8 ~ 1郾 0 0 0 0 臆0郾 12 臆0郾 15 余量 0 铝丝 0 臆0郾 3 臆0郾 05 臆0郾 05 臆0郾 07 臆0郾 05 0 0 臆0郾 4 99郾 6 喷涂实验流程如下: 除油寅除锈寅喷砂寅火焰喷涂寅重熔寅扩散退 火寅表面处理. 在热喷涂铝丝之前,应对试样进行除油、除锈、喷 砂处理. 除油采用有机溶剂如丙酮进行清洗,然后用 水冲洗 2 ~ 3 min,保证清洗干净. 除锈使用 10% ~ 20% (体积分数) 的 HCl 水溶液进行清洗,常温,清洗 时间 1 ~ 2 min,根据锈蚀程度清洗时间可适当延长[6] . 喷砂则根据表面质量的要求进行操作,实验根据工业 上普遍使用的并可以作为验收技术要求及标准的级别 Sa2郾 5 级来进行表面处理,其目的在于去除表面腐蚀 产物,增大表面粗糙度,在喷砂结束之后尽可能的立即 进行喷涂铝丝,以便获得期望的喷涂涂层. 火焰喷涂:采用纯铝丝材进行氧乙炔焰火焰喷涂, 涂层厚度控制在 0郾 5 mm 左右,火焰喷涂装置如图 1 所示. 图 1 火焰喷涂装置 Fig. 1 Flame鄄spraying equipment 借鉴于激光重熔技术,先将试样放入 880 益 的马 弗炉中半固相烧结 20 min,铝层瞬间熔化成液相,在界 面处与基体发生强烈的互扩散,与基体实现了冶金结 合,取出冷却至室温后再放入 800 益 的恒温炉中进行 扩散处理 3郾 5 h,铝原子进一步向铸铁基体内部扩散, 从而获得较深的渗层. 待扩散完成之后,试样表面会 粗糙不平,用细砂纸进行表面处理即可[7] . 线切割喷涂渗铝试样的截面并进行制样,用扫描 电镜观察试样截面形貌,并测量渗层厚度,采用能谱仪 对渗层特殊点进行元素分析. 渗层物相进行检测时, 从表面开始,每次用砂纸磨去 100 滋m 左右,分别逐层 进行物相检测,直至不再出现 Fe鄄鄄Al 的金属间化合物 为止. 铸铁和喷涂渗铝试样分别取 3 个做平行样,高温 氧化实验时将试样放入坩埚中称重,随后将装有试样 的坩埚放入到 800、900 益的炉中保温 5 h,取出空冷至 室温,用分析天平称量增重后再次放入炉中氧化,重复 以上操作 6 次. 摩擦磨损实验在 HT600 高温摩擦磨损 试验机上进行,磨损轮廓和体积用 HSR200鄄鄄3 型金刚 石触针电感式轮廓测量仪进行测试. 全浸泡实验:将铸铁和喷涂渗铝试样浸入 5% (质 量分数)NaCl 溶液,放置在恒温培养箱内,温度为 25 益 ,浸泡时间 720 h. 取出后去除表面腐蚀产物[8] ,用 FA1104N 电子天平称量实验前后重量,计算腐蚀失重 和腐蚀速率[9] . 2 结果与分析 2郾 1 渗层微观组织 图 2 为喷涂渗铝涂层的背散射图像和特殊点的成 分分析,从图像可看出涂层分为两层,外层深灰色,其 中分布着针状相 FeAl 3 ,内层浅灰色并向基体延伸了很 长的距离,与基体接触的地方呈现锯齿状分布且出现 许多黑色点状物,涂层的总厚度可达 600 滋m. 从能谱 分析图中可看出外层(点 1)主要是 Al 元素,其中分布 的针状相(点 2),内层(点 3)主要成分是 Fe、Al,定量 分析可得原子比分别为 1 颐 3和 2 颐 5,涂层末端的黑点 (点 4)则是大量的 C、Si 原子的富集区域. 图 3 是喷涂渗铝试样截面面分布图谱,从中可直 观地看出各个元素的分布状况. Al 元素的分布外层含 量最高,到内层时颜色逐渐变暗,进一步深入到基体中 则呈现黑色,证明已没有 Al 的存在,Fe 元素的分布与 Al 恰恰相反. C、Si 的分布则可看出呈现一定的聚集, 因为 C、Si 不溶于 Fe鄄鄄Al 形成的晶格结构,被排挤到渗 层边缘,造成元素的富集. 图 4 是逐层测试得到的渗层物相,a 是涂层表面 的物相,e 是铸铁材料的物相,b、c、d 是涂层外层依次 过渡到内层的物相变化情况. 从图中的结果也可看 出,涂层表面的物相主要是 Al 和 Al 2O3 ,因为试样在重 熔和扩散处理过程中是直接在高温马弗炉中进行的, 没有采取气氛保护,试样表面直接与空气接触,表面会 不可避免的发生氧化,因此表层出现 Al 2O3的物相;涂 层外层主要是 Al 和 FeAl 3 ,逐渐出现 Fe2Al 5相,而到内 层后物相主要是 Fe2Al 5 . 2郾 2 影响渗层厚度的因素 2郾 2郾 1 C、Si 对渗层的影响 铸铁材料具有较高的 C、Si 含量,在喷涂渗铝原子 相互扩散的过程中,C、Si 不溶于 Fe鄄鄄Al 形成的晶格结 ·890·

胡宁等：铸铁喷涂渗铝工艺和性能 ·891· 30 2 50 020 15 10 5 Fe Fe Fe 0 1 2 45678 10 3 456 78910 能量keV 能量keV 18F 4.5E 1 14 5 10 2.5 2.0 4 Fe 1.0 0.5 8101214161820 8101214161820 能量kcV 能量keV 图2喷涂渗铝铸铁渗层扫描电镜照片和能谱分析 Fig.2 SEM image and EDS spectra of spray-aluminized coating on cast iron 构中，铝原子向基体内扩散就会推着C,Si一起向基体 2.2.3重熔和扩散温度对渗层厚度的影响 迁移，或者绕过元素富集的区域继续向前扩散，随着扩 图6(a)是不同重熔温度下渗层厚度的变化曲线， 散距离的增加扩散前沿聚集的C、Sⅰ含量逐渐增多，阻 在880℃附近达到峰值，温度低，原子扩散速度较慢， 力越来越大，限制铝原子进一步向基体的扩散 温度高，表面氧化烧损严重，都对渗层厚度的增加不 2.2.2扩散和重熔时间对渗层厚度的影响 利.图6(b)是渗层的厚度随扩散温度的变化曲线，渗 从图5(a)中可看出随着扩散时间的延长，渗层的 层的增幅趋势也是先增大后减小，随着扩散温度升高， 厚度逐渐增大，3h时间内增大趋势较为明显，后期的 试样表面粗糙度变大，因此扩散温度一般控制在800 增幅比较平缓.扩散时间越长，从表层扩散到基体内 ℃以内. 部的铝原子数目越多，渗层增厚明显，但是随着渗层厚 2.3涂层的性能 度的增加，铝原子的扩散距离变长，加之C、Si在扩散 2.3.1硬度 前沿富集形成的阻力，从而厚度增大的趋势较平缓. 图7为从涂层表面到基体部分硬度的变化曲线， 图5(b)是在同一个重熔温度不同的重熔时间下， 可以看出随着渗层深度的增大，硬度值先逐渐增大，达 渗层厚度的变化曲线.随着时间的延长，厚度出现先 到峰值HV950左右时趋于稳定，在渗层深度为450 增大趋于平缓后下降的趋势.由于重熔时温度比较 4m左右时，硬度值开始逐渐下降.由于涂层外层的主 高，原子的扩散速率较快，时间越长，扩散到基体内部 要成分是Al,只含有少量的FeA山3，因此硬度值比较 的原子数目越多，但由于重熔过程是直接在马弗炉中 低：随着渗层深度的增加逐渐出现硬脆相Fe,AL,在扩 进行的，时间过长表面氧化烧损严重，扩散处理没有足 散层时Fe,AL,为主要物相，所以硬度会出现先增加到 够的铝原子扩散到基体中，从而厚度呈现一定程度的 稳定的变化：随着渗层扩散距离的进一步增加，渗层中 下降趋势，由于客观条件限制，会出现一定波动，不影 的Al含量逐步减少，Fe,AL,相也相应减少，所以硬度 响整体趋势的变化. 开始下降

胡 宁等: 铸铁喷涂渗铝工艺和性能 图 2 喷涂渗铝铸铁渗层扫描电镜照片和能谱分析 Fig. 2 SEM image and EDS spectra of spray鄄aluminized coating on cast iron 构中,铝原子向基体内扩散就会推着 C、Si 一起向基体 迁移,或者绕过元素富集的区域继续向前扩散,随着扩 散距离的增加扩散前沿聚集的 C、Si 含量逐渐增多,阻 力越来越大,限制铝原子进一步向基体的扩散. 2郾 2郾 2 扩散和重熔时间对渗层厚度的影响 从图 5(a)中可看出随着扩散时间的延长,渗层的 厚度逐渐增大,3 h 时间内增大趋势较为明显,后期的 增幅比较平缓. 扩散时间越长,从表层扩散到基体内 部的铝原子数目越多,渗层增厚明显,但是随着渗层厚 度的增加,铝原子的扩散距离变长,加之 C、Si 在扩散 前沿富集形成的阻力,从而厚度增大的趋势较平缓. 图 5(b)是在同一个重熔温度不同的重熔时间下, 渗层厚度的变化曲线. 随着时间的延长,厚度出现先 增大趋于平缓后下降的趋势. 由于重熔时温度比较 高,原子的扩散速率较快,时间越长,扩散到基体内部 的原子数目越多,但由于重熔过程是直接在马弗炉中 进行的,时间过长表面氧化烧损严重,扩散处理没有足 够的铝原子扩散到基体中,从而厚度呈现一定程度的 下降趋势,由于客观条件限制,会出现一定波动,不影 响整体趋势的变化. 2郾 2郾 3 重熔和扩散温度对渗层厚度的影响 图 6(a)是不同重熔温度下渗层厚度的变化曲线, 在 880 益附近达到峰值,温度低,原子扩散速度较慢, 温度高,表面氧化烧损严重,都对渗层厚度的增加不 利. 图 6(b)是渗层的厚度随扩散温度的变化曲线,渗 层的增幅趋势也是先增大后减小,随着扩散温度升高, 试样表面粗糙度变大,因此扩散温度一般控制在 800 益以内. 2郾 3 涂层的性能 2郾 3郾 1 硬度 图 7 为从涂层表面到基体部分硬度的变化曲线, 可以看出随着渗层深度的增大,硬度值先逐渐增大,达 到峰值 HV 950 左右时趋于稳定,在渗层深度为 450 滋m 左右时,硬度值开始逐渐下降. 由于涂层外层的主 要成分是 Al,只含有少量的 FeAl 3 ,因此硬度值比较 低;随着渗层深度的增加逐渐出现硬脆相 Fe2Al 5 ,在扩 散层时 Fe2Al 5为主要物相,所以硬度会出现先增加到 稳定的变化;随着渗层扩散距离的进一步增加,渗层中 的 Al 含量逐步减少,Fe2 Al 5 相也相应减少,所以硬度 开始下降. ·891·

·892· 工程科学学报，第39卷，第6期 SE MAG:100 HV:20.0 kV WD:11.6 mm (c) (d) (c) -KA AL-KA 任) (g) Si-KA 图3喷涂渗铝试样截面面分布.(a)扫描区域：(b)元素在扫面区域中的分布：（©）~(g)单个元素在扫描区域的分布 Fig.3 Lateral scan of spray-aluminized coating on cast iron:(a)scanning area;(b)distribution of elements in the scanning area;(c)(g)dis- tribution of individual elements in scanning region 40000 对于铸铁试样来说，其抗高温氧化性能可提升几十倍， *一AL0 在800~900℃下可长期使用而不失效 30000 fe 2.3.3耐磨性 ·-FeAL -Fe,Al. 图9分别是摩擦磨损实验测得的摩擦系数和实验 20D 前后试样质量损失，从图中可看出外层由于成分主要 是铝元素，其摩擦系数较小，质量损失大：内层主要为 ◆ 10000 硬质相，摩擦系数较高，质量损失也较小，在0.8~0.9 mg之间波动.图10为磨损后的局部形貌，结合金刚 石触针电感轮廓仪测得的磨损体积，可得出，外层耐磨 20 40 60 100 性能与基体相当，内层的耐磨性可提升4~7倍.如若 20) 工件要求好的耐磨性，同时兼具高的抗氧化性，可适当 图4喷涂渗铝涂层的物相分析 的延长扩散处理的时间，使得表层铝原子继续向基体 Fig.4 Phase analysis of spray-aluminized coating 扩散，降低富铝层的厚度，Fe-Al的金属间化合物相对 2.3.2抗高温氧化性 基体材料也具有良好的耐高温氧化性，可在满足耐磨 图8是喷涂渗铝和铸铁试样在800、900℃的氧化 性的同时保证高的抗氧化性. 增重曲线.由铸铁试样的增重曲线可以看出：随着在 2.3.4耐蚀性 高温环境下时间的延长，持续增重，温度越高，增幅越 喷涂渗铝试样由于其表面已形成致密的氧化铝 明显：喷涂渗铝试样氧化增重曲线近似一条水平线，增 膜，可有效的阻碍Cˉ与基体接触发生反应，从而可大 重并不随时间出现明显变化.喷涂渗铝试样表层主要 大提升基体材料在3.5%（质量分数）NaCl溶液里的 成分为A1,高温氧化时，会在表面形成一层致密的氧 耐腐蚀性能.由表2可看出试样经喷涂渗铝之后的耐 化铝膜，起到保护基体的作用，所以在后续的持续高温 腐蚀性能有了数量级的提高，相较于文献中报道的镍 氧化过程中，基本不会再增重.因此喷涂渗铝试样相 基涂层和铁基涂层也有了一定程度的提升)

工程科学学报,第 39 卷,第 6 期 图 3 喷涂渗铝试样截面面分布. (a) 扫描区域; (b) 元素在扫面区域中的分布; (c) ~ (g) 单个元素在扫描区域的分布 Fig. 3 Lateral scan of spray鄄aluminized coating on cast iron: (a) scanning area; (b) distribution of elements in the scanning area; (c) ~ (g) dis鄄 tribution of individual elements in scanning region 图 4 喷涂渗铝涂层的物相分析 Fig. 4 Phase analysis of spray鄄aluminized coating 2郾 3郾 2 抗高温氧化性 图 8 是喷涂渗铝和铸铁试样在 800、900 益 的氧化 增重曲线. 由铸铁试样的增重曲线可以看出:随着在 高温环境下时间的延长,持续增重,温度越高,增幅越 明显;喷涂渗铝试样氧化增重曲线近似一条水平线,增 重并不随时间出现明显变化. 喷涂渗铝试样表层主要 成分为 Al,高温氧化时,会在表面形成一层致密的氧 化铝膜,起到保护基体的作用,所以在后续的持续高温 氧化过程中,基本不会再增重. 因此喷涂渗铝试样相 对于铸铁试样来说,其抗高温氧化性能可提升几十倍, 在 800 ~ 900 益下可长期使用而不失效. 2郾 3郾 3 耐磨性 图 9 分别是摩擦磨损实验测得的摩擦系数和实验 前后试样质量损失,从图中可看出外层由于成分主要 是铝元素,其摩擦系数较小,质量损失大;内层主要为 硬质相,摩擦系数较高,质量损失也较小,在 0郾 8 ~ 0郾 9 mg 之间波动. 图 10 为磨损后的局部形貌,结合金刚 石触针电感轮廓仪测得的磨损体积,可得出,外层耐磨 性能与基体相当,内层的耐磨性可提升 4 ~ 7 倍. 如若 工件要求好的耐磨性,同时兼具高的抗氧化性,可适当 的延长扩散处理的时间,使得表层铝原子继续向基体 扩散,降低富铝层的厚度,Fe鄄鄄Al 的金属间化合物相对 基体材料也具有良好的耐高温氧化性,可在满足耐磨 性的同时保证高的抗氧化性. 2郾 3郾 4 耐蚀性 喷涂渗铝试样由于其表面已形成致密的氧化铝 膜,可有效的阻碍 Cl - 与基体接触发生反应,从而可大 大提升基体材料在 3郾 5% (质量分数) NaCl 溶液里的 耐腐蚀性能. 由表 2 可看出试样经喷涂渗铝之后的耐 腐蚀性能有了数量级的提高,相较于文献中报道的镍 基涂层和铁基涂层也有了一定程度的提升[10] . ·892·

胡宁等：铸铁喷涂渗铝工艺和性能 893· 510 (a) 500 480 400 450 390 100 360 0 3 45 6 10 20 30 时间h 时间min 图5不同扩散时间下(a)和重熔时间下(b)的渗层厚度 Fig.5 Thickness under different diffusion times (a)and remelting times (b) 500 (a) 550间 500 450 450 400 400 350 350 300 230 300 150 5 100 860 880900 920 940 740 760 780800 820840 860 温度℃ 温度/℃ 图6不同重熔温度(a)和扩散温度(b)下的渗层厚度 Fig.6 Thickness under different remelting temperatures (a)and diffusion temperatures (b) 1000 140 一·一铸铁，800℃ 120 铸铁，900℃ 800 喷涂渗铝，800℃ 100 喷涂渗铝，900℃ 600 80 400 60 40 200 20 100 200300400500 600 10 15 20 25 30 距表面的深度μm 时间h 图7渗层的显微硬度 图8铸铁试样和喷涂渗铝试样在800,900℃下的氧化增重 Fig.7 Micro-hardness of spray-aluminized coating Fig.8 Oxidation mass increase of cast iron and spray-aluminized samples at800℃and900℃ 表2不同试样的浸泡腐蚀速率 Table 2 Corrosion rates of different sample in 3.5%NaCl solution mm.a-1 3 结论 喷涂渗铝 镍基涂层N 铁基涂层C 铸铁 (1)对铸铁材料进行火焰喷涂铝丝，随后进行重 0.0015 0.0536 0.0312 1.837 熔和扩散处理，可得到质量良好的渗铝涂层，总厚度

胡 宁等: 铸铁喷涂渗铝工艺和性能 图 5 不同扩散时间下(a)和重熔时间下(b)的渗层厚度 Fig. 5 Thickness under different diffusion times (a) and remelting times (b) 图 6 不同重熔温度(a) 和扩散温度(b)下的渗层厚度 Fig. 6 Thickness under different remelting temperatures (a) and diffusion temperatures (b) 图 7 渗层的显微硬度 Fig. 7 Micro鄄hardness of spray鄄aluminized coating 表 2 不同试样的浸泡腐蚀速率 Table 2 Corrosion rates of different sample in 3郾 5% NaCl solution mm·a - 1 喷涂渗铝 镍基涂层 N 铁基涂层 C 铸铁 0郾 0015 0郾 0536 0郾 0312 1郾 837 图 8 铸铁试样和喷涂渗铝试样在 800、900 益下的氧化增重 Fig. 8 Oxidation mass increase of cast iron and spray鄄aluminized samples at 800 益 and 900 益 3 结论 (1)对铸铁材料进行火焰喷涂铝丝,随后进行重 熔和扩散处理,可得到质量良好的渗铝涂层,总厚度 ·893·

·894· 工程科学学报，第39卷，第6期 (a (b) 0.8 扩散层 2 0.6 0.4 富铝层 ory 1 02 6810121416 200 400 600 800 时间/min 距离m 图9喷涂渗铝试样的摩擦系数(a)和磨损质量损失(b) Fig.9 Friction coefficient (a)and mass loss (b)of spray-aluminized coating a b 100m 10Dμm 图10试样的摩擦磨损形貌.(a)铸铁：(b)喷涂渗铝层外层：（©）喷涂渗铝层内层 Fig.10 SEM images of samples after friction and wear experiments;(a)cast sample;(b)outer layer of spray-aluminized coating;(c)inner layer of spray-aluminized coating 600m:涂层分为两层，外层的主要物相为A1和 (4)高温氧化实验中，由于表面氧化铝膜的存在， FeAL3,内层主要是由硬脆相Fe,AL,构成. 喷涂渗铝试样基本不增重，在800、900℃下具有良好 (2)渗层厚度随扩散时间的延长而逐渐增大，3h 的抗高温氧化性能，可长期在此工况条件下使用. 以后由于原子扩散距离的增大，增幅变得平缓：由于高 (5)涂层外层的耐磨性能与基体相当，内层具有 温下表面易氧化烧损，因此渗层厚度随重熔时间的增 良好的耐磨性能，可提升4~7倍.喷涂渗铝试样在 大先增大后下降：温度越高，原子所具有的能量越高， 3.5%(质量分数)NaCl溶液里具有良好的耐蚀性能， 向基体扩散速度越快，扩散距离越深，但同时氧化烧损 较铸铁材料有数量级的提升，同时对文献中报道的铁 也越大，致使扩散到基体内部原子数目减少，渗层厚度 基和镍基涂层也有一定程度的提升. 减小，所以渗层厚度随重熔和扩散温度先增大后减小 (3)涂层表面到基体的硬度变化为先增大到峰值 参考文献 约为HV950,峰值维持一定深度范围后开始下降. [1]Zhao X.Xu J W.Ma L H,et al.The influence of diffusion an-

工程科学学报,第 39 卷,第 6 期 图 9 喷涂渗铝试样的摩擦系数(a)和磨损质量损失(b) Fig. 9 Friction coefficient (a) and mass loss (b) of spray鄄aluminized coating 图 10 试样的摩擦磨损形貌 郾 (a) 铸铁;(b) 喷涂渗铝层外层;(c) 喷涂渗铝层内层 Fig. 10 SEM images of samples after friction and wear experiments: (a) cast sample; (b) outer layer of spray鄄aluminized coating; (c) inner layer of spray鄄aluminized coating 600 滋m; 涂 层 分 为 两 层, 外 层 的 主 要 物 相 为 Al 和 FeAl 3 ,内层主要是由硬脆相 Fe2Al 5构成. (2)渗层厚度随扩散时间的延长而逐渐增大,3 h 以后由于原子扩散距离的增大,增幅变得平缓;由于高 温下表面易氧化烧损,因此渗层厚度随重熔时间的增 大先增大后下降;温度越高,原子所具有的能量越高, 向基体扩散速度越快,扩散距离越深,但同时氧化烧损 也越大,致使扩散到基体内部原子数目减少,渗层厚度 减小,所以渗层厚度随重熔和扩散温度先增大后减小. (3)涂层表面到基体的硬度变化为先增大到峰值 约为 HV 950,峰值维持一定深度范围后开始下降. (4)高温氧化实验中,由于表面氧化铝膜的存在, 喷涂渗铝试样基本不增重,在 800、900 益 下具有良好 的抗高温氧化性能,可长期在此工况条件下使用. (5)涂层外层的耐磨性能与基体相当,内层具有 良好的耐磨性能,可提升 4 ~ 7 倍. 喷涂渗铝试样在 3郾 5% (质量分数)NaCl 溶液里具有良好的耐蚀性能, 较铸铁材料有数量级的提升,同时对文献中报道的铁 基和镍基涂层也有一定程度的提升. 参 考 文 献 [1] Zhao X, Xu J W, Ma L H, et al. The influence of diffusion an鄄 ·894·

胡宁等：铸铁喷涂渗铝工艺和性能 ·895· nealing on the organization of hot dipped aluminum coating on the (王光文，刘炳，石传美.熔剂法热浸镀铝工艺研究现状及发 ductile iron.Surf Technol,2008,37(5):15 展.表面技术，2008,37(5)：75) (赵霞，徐家文，马丽华，等.扩散退火对球墨铸铁热浸镀铝组 [7]Sun W.Cai QZ.Luo Q.Effects of rare earth on microstructure 织的影响.表面技术，2008,37(5)：15) and corrosion resistance of hot-dip aluminum coating.China Surf [2]Cheng W J,Wang C J.EBSD characterization of high-temperature Eng,2010,23(6):24 phase transformations in an Al-Si coating on Cr-Mo steel.Mater (孙伟，蔡启舟，罗强.E对热浸镀铝镀层组织及耐腐蚀性 Charact,2012,64:15 能的影响.中国表面工程，2010,23(6)：24) [3]Chang Y Y,Cheng W J,Wang C J.Growth and surface morphol- [8]ASTM Committee Gol on Corrosion of Metals.ASTM G1-03 ogy of hot-dip Al-Si on 9Cr-1Mo steel.Mater Charact,2009.60 Standard Practice for Preparing,Cleaning,and Evaluating Corro- (2):144 sion Test Specimens.American Society for Testing and Materials, [4]Ye H,Yan Z L,Sun Z F.The microstructure and properties of 2011 diffusion layer of spray aluminum.J Wuhan Unir Technol Mater [9]ASTM Committee Gol on Corrosion of Metals.ASTM G31-72. Sc,2005,20(3):81 Standard Practice for Laboratory Immersion Corrosion Test of Met- [5]Lin X Q,He Y H,Jiang Y.Research progress in aluminizing als.American Society for Testing and Materials,2006 process of cast iron.Mater Sci Eng Pouder Metall,2005,10(3): [10]Hu G.Preparation and Properties of Ni Based and Fe Based Clad 133 Coating Using Ultrasonic Frequeney Induction Cladding Disser- (林小芹，贺跃辉，江圭.铸铁渗铝工艺的研究进展.粉末治金 tation].Beijing:University of Science and Technology Beijing, 材料科学与工程，2005.10(3)：133) 2015 [6]Wang G W,Liu B.Shi C M.Statusand advance of the technology (胡舸.超音频感应熔覆镍基和铁基涂层制备及性能研究 and performance of hot-dipped alumining by fux method.Suf [学位论文].北京：北京科技大学，2015) Technol,2008,37(5):75

胡 宁等: 铸铁喷涂渗铝工艺和性能 nealing on the organization of hot dipped aluminum coating on the ductile iron. Surf Technol, 2008, 37(5): 15 (赵霞,徐家文,马丽华,等. 扩散退火对球墨铸铁热浸镀铝组 织的影响. 表面技术, 2008, 37(5):15) [2] Cheng W J, Wang C J. EBSD characterization of high鄄temperature phase transformations in an Al鄄鄄 Si coating on Cr鄄鄄 Mo steel. Mater Charact, 2012, 64: 15 [3] Chang Y Y, Cheng W J, Wang C J. Growth and surface morphol鄄 ogy of hot鄄dip Al鄄鄄Si on 9Cr鄄鄄1Mo steel. Mater Charact, 2009, 60 (2): 144 [4] Ye H, Yan Z L, Sun Z F. The microstructure and properties of diffusion layer of spray aluminum. J Wuhan Univ Technol Mater Sci, 2005, 20(3):81 [5] Lin X Q, He Y H, Jiang Y. Research progress in aluminizing process of cast iron. Mater Sci Eng Powder Metall, 2005,10(3): 133 (林小芹,贺跃辉,江垚. 铸铁渗铝工艺的研究进展. 粉末冶金 材料科学与工程,2005,10(3): 133) [6] Wang G W, Liu B, Shi C M. Statusand advance of the technology and performance of hot鄄dipped alumining by flux method. Surf Technol, 2008, 37(5): 75 (王光文,刘炳, 石传美. 熔剂法热浸镀铝工艺研究现状及发 展. 表面技术, 2008, 37(5):75) [7] Sun W, Cai Q Z, Luo Q. Effects of rare earth on microstructure and corrosion resistance of hot鄄鄄 dip aluminum coating. China Surf Eng, 2010, 23(6): 24 (孙伟, 蔡启舟, 罗强. RE 对热浸镀铝镀层组织及耐腐蚀性 能的影响. 中国表面工程, 2010, 23(6): 24) [8] ASTM Committee G01 on Corrosion of Metals. ASTM G1鄄鄄 03 Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corro鄄 sion Test Specimens. American Society for Testing and Materials, 2011 [9] ASTM Committee G01 on Corrosion of Metals. ASTM G31鄄鄄 72. Standard Practice for Laboratory Immersion Corrosion Test of Met鄄 als. American Society for Testing and Materials, 2006 [10] Hu G. Preparation and Properties of Ni Based and Fe Based Clad Coating Using Ultrasonic Frequency Induction Cladding [Disser鄄 tation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2015 (胡舸. 超音频感应熔覆镍基和铁基涂层制备及性能研究 [学位论文]. 北京:北京科技大学, 2015) ·895·