不銹鋼表面Fe3Si型金屬硅化物滲層的制備與表征.pdf

1、0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼在非常苛刻的氧化條件下,開始階段氧化增重緩慢,但是在某一個(gè)臨界點(diǎn)其氧化增重現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致氧化皮的大量剝落。因此0Cr18Ni9不銹鋼很難應(yīng)用在對(duì)環(huán)境有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。Fe3Si作為金屬硅化物的一種,具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能,其原因是保護(hù)性氧化膜SiO2的生成。但是,Fe3Si的室溫脆性限制了其作為結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用。因此,將Fe3Si用于材料的表面改性涂層材料則可以避開Fe3Si的脆性,從而拓展Fe3Si的應(yīng)

2、用領(lǐng)域。通過在0Cr18Ni9不銹鋼表面滲硅并形成Fe3Si金屬間化合物滲層不僅提高不銹鋼表面強(qiáng)度、硬度、耐磨性的同時(shí),同時(shí)提高0Cr18Ni9不銹鋼的高溫抗氧化性。
　　 基于上述思想,本研究通過熔融鹽非電解法在0Cr18Ni9不銹鋼表面制備了不同含硅量的Fe3Si型金屬硅化物滲層。采用X射線衍射儀(XRD)分析了滲硅層的物相組成,用掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶能量色散譜儀(EDS)研究了滲層截面的形貌和成分,通過調(diào)整熔鹽體

3、系、滲硅溫度和滲硅時(shí)間等工藝參數(shù),研究了滲硅層對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼的綜合力學(xué)性能特別是高溫抗氧化性能,得到如下幾條具有意義的結(jié)論:
　　 (1)利用NaCl:KCl:NaF=2:2:1中性熔融鹽作為載體,Na2SiF6和Si粉做為滲硅劑采用不同的滲硅工藝,可以在0Cr18Ni9不銹鋼表面獲得不同質(zhì)量和厚度的金屬硅化物滲層。XRD分析表明:滲硅體系1和2在800℃下保溫10h后的滲層表面物相均以Fe3Si相為主。SEM對(duì)硅化物

4、滲層斷面分析表明:滲硅體系1和2在800℃下滲硅處理后滲層和基體結(jié)合緊密,并且在不同體系中保溫不同時(shí)間后在基體和滲層交界處仍然存在由于Si,Fe原子擴(kuò)散系數(shù)不一樣而導(dǎo)致的柯肯達(dá)爾空隙帶。滲層斷面EDS分析表明:在滲硅處理過程當(dāng)中發(fā)生了Fe,Cr,Ni元素向基體外的擴(kuò)散和Si元素的向內(nèi)擴(kuò)散,并且在滲層和基體組織交界處發(fā)生了Si元素含量的突變。
　　 (2)對(duì)經(jīng)滲硅處理5h和10h后的0Cr18Ni9不銹鋼軸向拉伸力學(xué)性能分析表明,

5、滲硅試樣的比例極限大于不經(jīng)過滲硅處理的0Cr18Ni9不銹鋼,滲硅處理5h和10h后對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼的抗拉強(qiáng)度影響不大,硅化物滲層除了在試樣表面呈臺(tái)階狀斷裂外,同時(shí)還沿柯肯達(dá)爾孔隙帶斷開,導(dǎo)致滲層的橫截面積減小,是導(dǎo)致試樣在彈性形變過程中出現(xiàn)不同彈性模量的原因。
　　 (3)研究了滲硅溫度,滲硅時(shí)間,和滲硅體系對(duì)硅化物滲層生長速度和質(zhì)量的影響,試驗(yàn)表明:滲硅溫度越高硅化物滲層生長速度越快;當(dāng)硅化物滲層達(dá)到一定厚度的時(shí)候,

6、保溫時(shí)間的延長并不能夠很有效的增加硅化物滲層的厚度:在相同的保溫時(shí)間和滲硅溫度下,體系2所獲得的滲層厚度明顯大于體系1,但是相對(duì)于體系1而言體系2制備的滲層卻存在比較多的缺陷。
　　 (4)高溫氧化試驗(yàn)表明:Fe3Si基硅化物滲層表現(xiàn)出了較0Cr18Ni9不銹鋼優(yōu)越的高溫抗氧化性能。Fe3Si基硅化物滲層在800℃和900℃條件下的高溫循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線均表現(xiàn)為二次拋物線型。由于高溫下生成了連續(xù)的SiO2保護(hù)膜,使得900℃下的

7、抗氧化性能更優(yōu)。試驗(yàn)分析表明,試樣在800℃下氧化層由Fe2O3和SiO2組成,而在900℃下氧化層則是由Fe2O3、SiO2和Cr2O3組成的混合氧化物。滲硅試樣在800℃循環(huán)氧化過程中,硅化物滲層局部和0Cr18Ni9不銹鋼基體之間結(jié)合比較緊密;而在900℃下循環(huán)氧化過程中,滲層與基體之間通過Si、Cr元素相互擴(kuò)散使二者結(jié)合強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。滲硅試樣在900℃下形成的氧化膜比800℃下形成氧化膜更為致密,800℃下滲層表面氧化100h