包埋渗铝法制备<strong>Fe-Al</strong>渗层及其扩散机制

doi:10.11901/1005.3093.2020.449

材料研究学报

2021, Vol. 35

Issue (8): 572-582 DOI: 10.11901/1005.3093.2020.449

研究论文

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包埋渗铝法制备Fe-Al渗层及其扩散机制

李宁宁¹^,², 陈旸², 陈希¹, 殷利迎¹, 陈光²(

)

^1.华北水利水电大学材料学院郑州 450045
^2.南京理工大学先进金属与金属间化合物材料技术工信部重点实验室材料评价与设计教育部工程研究中心南京 210094

Preparation Method and Diffusion Mechanism of Fe-Al Coating on Q235 Low Carbon Steel by Pack Aluminizing

LI Ningning¹^,², CHEN Yang², CHEN Xi¹, YIN Liying¹, CHEN Guang²(

)

^1.School of Materials Science and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China
^2.MIIT Key Laboratory of Advanced Metallic and Intermetallic Materials Technology, Engineering Research Center of Materials Behavior and Design, Ministry of Education, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

引用本文:

李宁宁, 陈旸, 陈希, 殷利迎, 陈光. 包埋渗铝法制备Fe-Al渗层及其扩散机制[J]. 材料研究学报, 2021, 35(8): 572-582.
Ningning LI, Yang CHEN, Xi CHEN, Liying YIN, Guang CHEN. Preparation Method and Diffusion Mechanism of Fe-Al Coating on Q235 Low Carbon Steel by Pack Aluminizing[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2021, 35(8): 572-582.

全文: PDF(9041 KB) HTML

摘要:

包埋渗铝法可在钢基体表面制备出一层致密、坚固、连续的Fe-Al渗层，以改善基体性能。本文在不同温度和不同时间下对Q235低碳钢进行包埋渗铝，形成Fe-Al渗层，采用X射线衍射、扫描电镜及能谱分析等方法研究了渗铝层的物相结构、表面及截面形貌和成分，采用显微硬度仪测量了截面硬度。结果表明，不同渗铝温度下获得的渗铝层，主要含有Fe₂Al₅和FeAl₃两相，且750℃得到的渗层存在较多Fe₂Al₅相；随着渗铝温度升高，Fe-Al渗层厚度增加，Al原子扩散系数增大，但显微硬度降低；不同渗铝时间下制备的渗铝层，物相仍以Fe₂Al₅和FeAl₃为主，但随着渗铝时间延长，FeAl₃含量减少，且Al原子扩散系数变大，渗层显微硬度略有降低。在进一步分析Fe-Al渗层形成的热力学与动力学基础上，总结了渗铝层形成的扩散机制。

关键词 ：金属材料, Fe-Al 渗层, 包埋渗铝法, 扩散系数, 显微硬度

Abstract：

The Fe-Al coating, with compactness, stiffness, and continuity, could be prepared on Q235 low carbon steel by pack aluminizing. The phase structure, morphology, composition, and hardness of the prepared coating were characterized by XRD, SEM, EDS, and micro-hardness tester respectively. Results indicate that the Fe-Al coating is composed of Fe₂Al₅ and FeAl₃ phases, whilst, the coating fabricated at 750℃ is particularly rich in Fe₂Al₅ phase. With the rising temperature, the thickness of Fe-Al coating increases, whereas the micro-hardness decreases. As a result of aluminizing for different time, the formed coatings are composed of the two phases Fe₂Al₅ and FeAl₃as well. However, with the increasing aluminizing time, the content of FeAl₃phase decreases, while the micro-hardness of the coating decreases slightly. Finally, a diffusion mechanism related with the formation of Fe-Al coating is proposed based on the comprehensive analysis on the thermodynamics and kinetics of pack aluminizing process.

Key words： metallic materials Fe-Al layer pack aluminizing diffusion coefficient micro-hardness

收稿日期: 2020-10-26

ZTFLH:

TG131

基金资助:国家自然科学基金(51571117);华北水利水电大学高层次人才科研启动项目(4001/40680)

作者简介: 李宁宁，女，1987年生，博士

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表1 Q235低碳钢化学成分(质量分数, %)

表2 渗铝剂的粒度及纯度要求

表3 包埋渗铝试验方案

图1 不同渗铝温度下制备Fe-Al渗铝层的XRD图谱

图2 不同渗铝时间下制备Fe-Al渗铝层的XRD图谱(温度为650℃)

图3 不同温度制备Fe-Al渗层的表面形貌

表4 不同渗铝温度制备Fe-Al渗层表面的成分

图4 不同时间制备Fe-Al渗层的表面形貌(温度为650℃)

表5 不同时间制备Fe-Al渗层的表面成分

图5 550℃制备Fe-Al渗层的截面形貌和成分曲线

图6 不同温度制备Fe-Al渗层的截面形貌和成分曲线

表6 不同温度下Al原子的扩散系数D

图7 不同时间制备Fe-Al渗层的截面形貌和成分曲线(650℃)

表7 不同时间下Al原子的扩散系数D

图8 Q235钢(a)和不同温度制备Fe-Al渗层的显微硬度

图9 不同时间制备Fe-Al渗层的显微硬度(温度为650℃)

图10 不同渗铝温度和Fe-Al渗层厚度的关系曲线

图11 不同渗铝时间和Fe-Al渗层厚度的关系曲线

图12 包埋渗铝法形成Fe-Al渗层的生长意图

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