（材料学专业论文）不锈钢表面fe3si型金属硅化物渗层的制备与表征.pdf

脚 y 1 8 8 岑：；i ；岑廿。 p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ff e a s it y p ei m cl a y e r 0 ns t a i n l e s ss t e e l b y l ip e n g b e ( w e i n a nt e a c h e r su n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a l ss c i e n c e i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rm aq i n & i n s t r u c t o rj i aj i a n g a n g a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 弩腓 日期：矽1 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 鬈节腑如劬黝糍弦 硕士学位论文 暑詈詈! ! = = 詈詈= 詈詈詈! 詈= i n 。 ii；i i 暑! 詈詈詈詈鼍詈= ! = 詈詈詈鼍 目录 j 商要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 奥氏体不锈钢高温抗氧化性能和力学性能概述。2 1 1 10 c r l 8 n i 9 不锈钢的成分与主要用途2 1 1 20 c r l 8 n i 9 不锈钢的力学性能3 1 1 30 c r l8 n i 9 不锈钢的高温氧化行为3 1 1 4 抗高温氧化表面处理的发展概况3 1 2f e 3 s i 有序合金的组织结构和性能。4 1 2 1f e 3 s i 有序合金的结构和基本特性4 1 2 2f e 3 s i 合金的高温氧化性能6 1 3 常见的几种制备硅化物渗层的方法6 1 3 1 粉末包埋法6 1 3 2 化学气相沉积法7 1 3 3 熔盐法。8 1 4 本课题的意义及研究内容9 1 4 1 本课题的意义9 1 4 2 本研究工作的新意之处。1 0 第2 章f e 3 s i 型金属硅化物渗层的熔盐法制备1 l 2 1 试验过程。1 1 2 1 1 试验原料1 1 2 1 2 试验设备1 2 2 1 3 试验方案1 3 2 2 试验结果与讨论1 4 2 2 1 硅化物渗层的表征1 4 2 2 3 盐浴渗硅及渗层形成机理1 9 2 2 4 渗硅体系对硅化物渗层断面厚度的影响2 0 2 2 5 渗硅时间对硅化物渗层断面厚度的影响2 1 2 2 6 渗硅温度对硅化物渗层断面厚度的影响2 2 2 3 本章小结2 3 第三章渗硅处理后的0 c r ls n i 9 不锈钢轴向拉伸力学性能分析。2 4 3 1 试验过程2 4 3 2 试样的应力应变曲线2 4 3 3 试样的拉伸断口形貌。2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章金属硅化物渗层的高温氧化行为2 8 4 1 试验过程2 8 4 2 试验结果与讨论2 8 4 2 1 金属硅化物渗层得循环氧化动力学分析2 8 4 2 2 金属硅化物渗层氧化速度常数的确定3 0 4 2 3 金属硅化物渗层氧化产物表面物相31 4 2 4 金属硅化物渗层氧化产物表面形貌3 2 不锈钢表面f e 3 s i 型金属硅化物渗层的制各与表征 4 2 5 金属硅化物渗层在8 0 0 氧化断面形貌以及e d s 分析3 3 4 2 6 金属硅化物渗层在9 0 0 氧化断面形貌以及e d s 分析3 4 4 2 7 金属硅化物渗层的高温循环氧化动力学分析3 6 4 3 本章小结3 6 结论一3 8 参考文献3 9 致谢。4 3 附录a 攻读学位期间待发表的学术论文4 4 n 硕士学位论文 暑鼍! 鼍詈ii i 二i i|i 詈詈! 暑= = = = 詈皇詈鼍詈皇= 毫鼍 摘要 0 c r l 8 n i 9 奥氏体不锈钢在非常苛刻的氧化条件下，开始阶段氧化增重缓慢，但是在 某一个临界点其氧化增重现象明显，导致氧化皮的大量剥落。因此0 c r l 8 n i 9 不锈钢很 难应用在对环境有严格要求的场合。f e 3 s i 作为金属硅化物的一种，具有优越的高温 抗氧化性能，其原因是保护性氧化膜s i 0 2 的生成。但是，f c 3 s i 的室温脆性限制了其作 为结构材料方面的应用。因此，将f e 3 s i 用于材料的表面改性涂层材料则可以避开f e 3 s i 的脆性，从而拓展f e 3 s i 的应用领域。通过在0 c r l s n i 9 不锈钢表面渗硅并形成f e a s i 金属间化合物渗层不仅提高不锈钢表面强度、硬度、耐磨性的同时，同时提高0 c r l s n i 9 不锈钢的高温抗氧化性。 基于上述思想，本研究通过熔融盐非电解法在0 c r l 8 n i 9 不锈钢表面制备了不同 含硅量的f e 3 s i 型金属硅化物渗层。采用x 射线衍射仪( ) a r d ) 分析了渗硅层的物相组 成，用扫描电子显微镜( s e m ) 和附带能量色散谱仪( e d s ) 研究了渗层截面的形貌和 成分，通过调整熔盐体系、渗硅温度和渗硅时间等工艺参数，研究了渗硅层对0 c r l 8 n i 9 不锈钢的综合力学性能特别是高温抗氧化性能，得到如下几条具有意义的结论： ( 1 ) 利用n a c l ：k c l ：n a f _ 2 ：2 ：1 中性熔融盐作为载体，n a 2 s i f 6 和s i 粉做为渗硅剂采 用不同的渗硅工艺，可以在0 c r l s n i 9 不锈钢表面获得不同质量和厚度的金属硅化物渗 层。x r d 分析表明：渗硅体系1 和2 在8 0 0 c 下保温1 0 h 后的渗层表面物相均以f e 3 s i 相为主。s e m 对硅化物渗层断面分析表明：渗硅体系1 和2 在8 0 0 下渗硅处理后渗层 和基体结合紧密，并且在不同体系中保温不同时间后在基体和渗层交界处仍然存在由于 s i ，f e 原子扩散系数不一样而导致的柯肯达尔空隙带。渗层断面e d s 分析表明：在渗 硅处理过程当中发生了f e ，c r ，n i 元素向基体外的扩散和s i 元素的向内扩散，并且在 渗层和基体组织交界处发生了s i 元素含量的突变。 ( 2 ) 对经渗硅处理5 h 和1 0 h 后的0 c r l s n i 9 不锈钢轴向拉伸力学性能分析表明，渗 硅试样的比例极限大于不经过渗硅处理的0 c r l g n i 9 不锈钢，渗硅处理5 h 和1 0 h 后对 0 c r l 8 n i 9 不锈钢的抗拉强度影响不大，硅化物渗层除了在试样表面呈台阶状断裂外，同 时还沿柯肯达尔孔隙带断开，导致渗层的横截面积减小，是导致试样在弹性形变过程中 出现不同弹性模量的原因。 ( 3 ) 研究了渗硅温度，渗硅时间，和渗硅体系对硅化物渗层生长速度和质量的影响， 试验表明：渗硅温度越高硅化物渗层生长速度越快；当硅化物渗层达到一定厚度的时候， 保温时间的延长并不能够很有效的增加硅化物渗层的厚度：在相同的保温时间和渗硅温 度下，体系2 所获得的渗层厚度明显大于体系1 ，但是相对于体系1 而言体系2 制备的 渗层却存在比较多的缺陷。 ( 4 ) 高温氧化试验表明：f e 3 s i 基硅化物渗层表现出了较0 c r l 8 n i 9 不锈钢优越的高 温抗氧化性能。f e 3 s i 基硅化物渗层在8 0 0 和9 0 0 c 条件下的高温循环氧化动力学曲线 不锈钢表面f e 3 s i 型金属硅化物渗层的制备和表征 均表现为二次抛物线型。由于高温下生成了连续的s i 0 2 保护膜，使得9 0 0 。c 下的抗氧化 性能更优。试验分析表明，试样在8 0 0 c 下氧化层由f e 2 0 3 和s i 0 2 组成，而在9 0 0 下 氧化层则是由f e 2 0 3 、s i 0 2 和c r 2 0 3 组成的混合氧化物。渗硅试样在8 0 0 循环氧化过程 中，硅化物渗层局部和0 c r l8 n i 9 不锈钢基体之间结合比较紧密；而在9 0 0 下循环氧化 过程中，渗层与基体之间通过s i 、c r 元素相互扩散使二者结合强度得到了增强。渗硅 试样在9 0 0 下形成的氧化膜比8 0 0 下形成氧化膜更为致密，8 0 0 下渗层表面氧化 1 0 0 h 后的物相以f e 2 0 3 为主，另外还有少量的s i 0 2 ；9 0 0 下s i 0 2 在氧化层表面的衍射 峰大大加强。 关键词f e 3 s i ：不锈钢；硅化物渗层；熔融盐非电解沉积；氧化动力学 硕士学位论文 _ii a b s t r a c t i nv e r yh a r s ho x i d a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ew e i g h tg a i no f a 0 c r l 8 n i 9a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ， i sv e r ys l o w ，b u ta ts o m ep o i n tt h eg r o w t hr a t eb e c o m el a r g e l y ，l e a dt ol a r g eo x i d el o s s f o r t h i sr e a s o n0 c r l8 n i 9s t a i n l e s ss t e e li sh a r dt ou s ei ns u c ho c c a s i o n st h a th a v es t r i e t r e q u i r e m e n t s f e 3 s ia sam e t a ls i l i c i d eh a se x c e l l e n to x i d a t i o nr e s i s t a n c e ，t h ef o r m a t i o no fs i 0 2 p l a ya l li m p o r a n tr o l ei n t h eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e ，b u tt h er o o mt e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s sl i m i t e s i l i c i d ef e 3 s ia sas t r u c t u r a lm a t e r i a l b u tf e 3 s iu s e da sac o a t i n gi nt h ef i e l do fs u r f a c e m o d i f i c a t i o no fm a t e r i a l sw h i c hc a na v o i dt h eb r i t t l e n e s so ff e 3 s ia n dt oe x p a n dt h e a p p l i c a t i o n so ff e 3 s i d i f f u s i o nc o a t i n g so n0 c r l 8 n i 9a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li no n eh a n d c a l ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s es t r e n g t h , h a r d n e s s ，w e a rr e s i s t a n c eo nt h es u r f a c eo ft h e0 c r l8 n i 9 a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la n di nt h eo t h e rh a n dc a na l s oi n c r e a s eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n r e s i s t a n c e b a s e do nt h ea b o v et h o u g h t s ，f e 3 s it y p es i l i c i d el a y e rc o n t a i n i n gc ra n dn ia l l o y i n g e l e m e n t sw i t hd i f f e r e n ts ic o n t e n td e p o s i t e do n0 c r l s n i 9a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls t a i n l e s s s t e e lw e r ef o r m e di nm o l t e ns a l t s p h a s ec o m p o s i t i o no fs i l i c o nl a y e ra n a l y s i sb yx - r a y d i f f r a c t i o nb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r a t t a c h e d ( e d s ) o ft h ed i f f u s i o nl a y e rc r o s s - s e c t i o no ft h em o r p h o l o g ya n dc o m p o s i t i o n b y m e a n so fa d j u s t m e n tm o l t e ns a l ts y s t e m , t e m p e r a t u r e ，a n dt i m e t oi m p r o v et h es t r u c t u r e a n dp e r f o r m a n c eo fs i l i c o nc o a t i n ga n dt h u si n c r e a s em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh i g h t e m p e r a t u r e o x i d a t i o nr e s i s t a n c eo f0 c r ls n i 9a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s o m eu s e f u l c o n c l u s i o n sa r ed r a w e d ： ( 1 ) u s i n gm o l t e nm i x t u r eo f n a 2 s i f 6 ：s i = 8 ：2a ss i l i c o n i z i n ga g e n ta n dt h em o l t e nh a l o g e n i d e o fa l k a l im e t a l so f n a c l ：k c l ：n a f = 2 ：2 ：1a ss i l i c o n i z i n ga g e n tc a r r i e r ，c a ng e td i f f e r e n tq u a l i t y s i l i c i d ec o a t i n g x r da n a l y s i ss h o w st h a t ：t h es u r f a c eo ft h es a m p l ea f t e rs i l i c o n i z e df o r10 h a t8 0 0 ci ns i l i c o ni n f i l t r a t i o ns y s t e m1a n d2i s f e 3 s im u l t i v a r i a t et r a n s i t i o nm e t a l s i l i c i d e s e mi m a g eo fc r o s s - s e c t i o no ft h es i l i c i d el a y e ri n d i c a t et h a t ：c o m b i t i o nb e t w w e e n s i l i c i d ec o a t i n ga n ds u b s t r a t e i sv e r yt i g h tb u tk e k e n d a ep o r o s i t yz o n ee x i s tb e t w w e e n s i l i c i d ec o a t i n ga n ds u b s t r a t ed i s p i t ed i f f e r e n te x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，e d sa n a l y s i so n c r o s s - s e c t i o ns h o w e dt h a t ：i np r o c e e do ft h ee x p e r m e n tf ec rn ie l e m e n ts p r e a df r o m s u b s t r a t et os i l i c i d ec o a t i n gi nc o n t r a s t 、析t 1 1t h es ie l e m e n t ，i nj u n c t i o nb e t w e e ns u b s t r a t ea n d s i l i c i d ec o a t i n go c c u r r e ds u d d e nc h a n g eo fs ie l e m e n tc o n c e n t ( 2 ) a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ea x i a lt e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp r o p o r t i o n a ll i m i tt h a t s i l i c o n i z e df o rlo ha n d5 hl a r g e rt h a no c r l8 n i 9a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，s i l i c o r t i z e df o r10 h i i 不锈钢表面f e 3 s i 型金属硅化物渗层的制备和表征 a n d5 hh a v el i t t l ee f f e c to nt h et e n s i l es t r e n g t ho fs t a i n l e s ss t e e l ，s i l i c i d ec o a t i n gi na d d i t i o nt o s t e p l i k ef r a c t u r es u r f a c eo ft h es a m p l ew a so u t s i d e ，b u ta l s o w i t hab r e a ka l o n gt h e k e k e n d a e rp o r e s ，l e a d i n gt ot h ec r o s ss e c t i o no fc o a t i n ga r e ad e c r e a s e s ，a n dt h er e a s o nf o r d i f f e r e n te l a s t i cm o d u l u so f t h es a m p l e ( 3 ) 1 1 1 es t u d yc , o l l c e r l li n f l u e n c eo fs i l i c o n i z e dt e m p e r a t u r e ，s i l i c o n i z e dt i m ea r i ds i l i e o n i z e d s y s t e mo ng r o w t h r a t ea n dq u a l i t yo ft h es i l i c i d ec o a t i n g a n a l y s i ss h o w st h a t ：g r o w t hr a t e i n c r e a s ew i 也s i l i c o n t z e dt e m p e r a t u r eu p ，w h e l lt h es i l i e i d ec o a t i n gr e a c h e sac e r t a i n t h i c k n e s s ，h o l d i n gt i m ei sn o tv e r ye f f e c t i v et oi n c r e a s et h et h i c k n e s so fc o a t i n g ，i nt h es a m e h o l d i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r e ，t h ei n f i l t r a t i o ns y s t e m2o b t a i n e ds i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h e t h i c k n e s so fs y s t e ml ，b u tt h e r ei sm o l ep e n e t r a t i n gl a y e rd e f e c t si n f i l t r a t i o ns y s t e m2t h a n i n f i l t r a t i o ns y s t e m1 ( 4 ) a s p e c t so fh i g ht e m p e r a t u ro x i d a t i o nf e 3 s is i l i c i d ec o a t i n gh a v e9 0 0 dh i g h - t e m p e r a t u r e o x i d a t i o nr e s i s t a n c et h a nb a r eo c r l 8 n i 9a u s t e n i t i es t a i n l e s ss t e e l c y c l i co x i d a t i o nk i n e t i c s o ff e 3 s is i l i c i d ec o a t i n ga t8 0 0 、9 0 0 p e r f o r m a n c ep a r a b o l i cl a wi nt h eh i g ht e m p e r a t u r e o x i d a t i o np r o c e s s a sq u i c k l yf o r mac o n t i n u o u ss i 0 2p r o t e c t i v ef i l m ，m a k i n gt h e9 0 0 f o r b e t t e ro x i d a t i o nr e s i s t a n c e e x p e r i m e n t a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ec o m p o s i t i o no ft h eo x i d e l a y e ri sm i x e dw i t hf e 2 0 3 ，s i 0 2a n dc r 2 0 3 i nt h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o np r o c e s s ，a l 8 0 0 s i l i c i d ec o m b i n ew e l lw i t ht h eo c r ls n i 9s t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t ei nt h eh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o np r o c e s sa t9 0 0 cs i ，c ra t o md i f f u s i o ns t r e n g t h e n i n gt h ec o m b i n eo f t h ec o a t i n gw i t ht h es u b s t r a t e o x i d ef i l mo ns i l i e i d ec o a t i n ga t9 0 0 ci sd e n s et h a na t8 0 0 ， f e 2 0 3p h a s ea n ds m a l la m o u n to fs i 0 2w a sf o u n di nt h eo x i d el a y e r ，t h ep e a k so fs i 0 2a t 9 0 0 e n h a n c eg r e a t l y k e yw o r d s ：f e 3 s i ；a u s t e n i t i es t a i n l e s ss t e e ls u i c i d ec o a t i n g ；e l e c t r o l e s sd e p o s i t i o nu s e d m o r e ；o x i d a t i o nk i n e t i c s i v l 硕士学位论文 第一章绪论 各种机械的单元是零件，任何一种材料的优劣都将从零件的使用寿命上体现出来， 特别是最直接参加工作零件的表面。据统计，机械产品中8 0 以上零件的报废都是由于 表面失效造成的。而因材料整体强度不足产生断裂或变形的零件失效所占的比例是很小 的( 事实上，许多零件发生破裂，其裂纹也首先是从表面产生的) 。因此，提高材料的 表面耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性能及强度，高温抗氧化性是延长零部件使用寿命、保证 系统稳定性的关键。另一方面，表面是材料最重要的部分，对大部分结构材料而言，他 们的性能基本上也都与表面状态有关。更重要的是，通过表面改性，可以大量节约资源 和能源，充分发挥材料的潜力，减少材料消耗，降低生产成本。因此，包括表面改性热 处理技术在内的表面工程技术得到了人们的极大关注，发展很快，并且对各类构件性能 的贡献程度也越来越甜。 在表面改性热处理方面，既有渗碳、渗氮等传统工艺，也有利用等离子体、高能量 束进行表面改性的先进技术，应用也非常广泛。近些年来，我国正从制造大国向制造强 国转变，制造业得到飞速发展，表面改性热处理技术也必将随之进步，并扮演重要角色。 其中，化学渗镀工艺一直是材料工作者不断研究的对象。化学渗镀着眼于材料表面，以 提高工件的表面性能为目的，是一项历史悠久，而又充满活力并不断得到发展的基础工 艺技术。正因为如此，在整个材料的表面改性中，渗镀是所占比重最大、内容最为丰富 的部分。 渗镀又名扩散渗镀，能赋予金属表面以优异的使用性能，如高温抗氧化，耐磨性， 耐蚀性等。它是在化学热处理，表面科学的基础上发展起来的。用加热扩散的方法使欲 镀金属渗入金属材料或工件表面所形成的合金镀层叫渗镀层( 简称渗层) 。渗镀和电镀， 喷镀，包镀化学镀一样都是为金属材料或工件制备金属镀层的方法。但是渗镀的特点： 镀层的形成主要靠加热扩散的方法，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的 ( 即所谓的冶金结合) 因而结合非常牢固镀层不易脱落，这是其它镀覆方法所不及的突 出优点。 渗镀技术不单纯是各种机械零件的某种表面强化处理手段，而且已经发展成为表面 材料学重要的组成部分。目前，在一些工业发达的国家用渗镀方法已经可以大批生产具 有特定表面性能的新型金属材料，例如日本用化学气相沉积法( c v d 法) 开发的冲片 性能、机械性能和磁性能优良的高速高效电机用电工钢板 2 1 还有渗铬钢带卷、渗锌钢管、 渗铝钢丝( 线) 等等。 渗硅多用于提高钢铁零件对酸类、海水、熔盐以及熔融金属的抗腐蚀和抗高温氧化 能力【3 】。传统钢铁材料表面硅化处理是提高材料自身抗氧化性能的有效方法，处理后的 不锈钢表面f e 3 s i 型金属硅化物渗层的制备和表征 表面生成高s i 含量的f e ( s i ) 固溶体，或f e s i 金属间化合物，可以提高材料自身的高温 抗氧化性能，用钨、钼、铌、钽等难熔金属制作的航天器的短期服役构件材料，多采用 硅化物层来减少它们在高温时的氧化。在现代热处理装备中使用的高c r - n i 奥氏体钢在 长期高温渗碳气氛中，由于渗碳作用将使其耐热性能严重退化s i 的渗入有助于提高 f e c r - n i 合金材料的抗渗碳能力。在渗碳气氛中虽然c r 2 0 3 膜下氧的浓度很低，但也足 以与扩散到膜下的s i 反应形成s i 0 2 次外层保护膜。由于s i 0 2 薄膜高的热化学稳定性， 因此具有很好的抗渗碳性【4 】。f e 3 s i 基合金因其优异的软磁性锹5 1 、良好的抗氧化和耐腐 蚀性、以及优越的耐磨性能，而被广泛研裂“。 金属硅化物f e 3 s i 基有序合金具有较高的熔点，良好的耐磨性和高温抗氧化性是一 种潜在的高温结构材料。由于这种合金组成元素价格低廉，因此有比较好的工程应用前 景。但是像大多数高温有序金属间化合物一样f e 3 s i 硬而脆的性质限制了它的实际应用 i s - 9 。然而将f e 3 s i 用于材料的表面改性而作为一种涂层材料则可以避开f e 3 s i 的脆性， 从而拓展f e 3 s i 的应用领域。至今，关于在钢材表面进行各类渗镀的研究报道和文献甚 多，然而对0 c r l 8 n i 9 不锈钢表面渗硅的研究还处在试验阶段。国内除罗新刚m 1 1 】教授 等少数研究人员在0 c r l 8 n i 9 不锈钢表面上采用粉末包埋法获得渗硅层外，还未有人在 0 c r l 8 n i 9 不锈钢表面采用盐浴法以获得金属硅化物渗层。采用盐浴渗硅处理能获得以 f e 3 s i 为主的均匀致密的渗层，那必将避免因粉末包埋带来的零件内腔及盲孔易堵塞， 操作繁重，粉尘有害健康等缺陷，并有可能投入工业规模应用。 1 1 奥氏体不锈钢高温抗氧化性能和力学性能概述 1 1 1o c r l s n i 9 不锈钢的成分与主要用途 o c r l 8 n i 9 不锈钢是应用最为广泛的一种铬镍不锈钢，具有良好的耐蚀性，耐热性 和机械特性。在大气中耐腐蚀，如果是工业性气氛或重污染地区，则需要及时清洁以 避免腐蚀。0 c r l 8 n i 9 材料出现生锈现象，可能有以下几个原因：( 1 ) 使用环境中存在氯 离子，氯离子广泛存在，比如食盐、汗迹、海水、海风、土壤等等，不锈钢在氯离子存 在下的环境中，腐蚀很快，甚至超过普通的低碳钢。( 2 ) 表面污染：附着在工件表面的油 污、灰尘及酸、碱、盐等在一定条件转化为腐蚀介质，与不锈钢件中的某些成分发生化 学反应，产生化学腐蚀而生锈。( 3 ) 表面划伤：各种划伤对钝化膜的破坏，使不锈钢保护 能力降低，易与化学介质发生反应，产生化学腐蚀而生锈。 所以对不锈钢的使用环境有要求，而且需要经常擦拭，除去灰尘，保持清洁干燥。 0 c r l 8 n i 9 适合用于食品的加工、储存和运输。具有良好的加工性能和可焊性。板式换 热器、波纹管、家庭用品、建材、化学、食品工业等。0 c r l g n i 9 不锈钢含铬1 8 ，镍 9 ，其具体化学成分如表1 1 所示【1 3 j ： 2 硕士学位论文 表1 10 c r l s n i 9 奥氏体不锈钢化学成分 t a b l e1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f0 c r l8 n i 9a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 1 20 c r l 8 n i 9 不锈钢的力学性能 0 c r l 8 n i 9 不锈钢由于含有较高的镍且在室温下呈奥氏体单相组织，在低温、室温及 高温下均有较高的塑性和韧性，以及较好的冷作成型和焊接性。但室温下的强度较低， 晶间腐蚀及应力腐蚀倾向较大，切削加工性较差。表1 3 列出了0 c r l s n i 9 不锈钢在退火 状态下的力学性似1 4 1 。 表l - 20 c r l s n i 9 不锈钢室温力学性能 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 0 c r l8 n i 9a u s t e n i f i cs t a l r l l e s ss t e e la tr o o mt e m p e r a t u r e 1 1 3o c r l 8 n i 9 不锈钢的高温氧化行为 高温抗氧化性能是钢铁在高温条件下长期使用的一个关键性能，在通常情况下低 c r 的0 c r l $ n i 9 不锈钢可能生成尖晶石氧化物( f e c r 2 0 4 ) ，在一定条件下也有一定的保 护性【1 2 】。0 c r lg n i 9 不锈钢的高温抗氧化性较强，温度低于9 0 0 c 时氧化极为缓慢当温 度高于9 0 0 c 后氧化速率稳步增加。有资料表咧1 5 6 1 ，在非常苛刻的氧化条件下， 0 c r l 8 n i 9 不锈钢的氧化增长开始阶段比较缓慢，但在某一点的氧化速度突然增加，导致 氧化皮大量剥落。m o r r i s 指出：这种现象与内层尖晶石氧化物( f e c r 2 0 4 ) 和外层的氧 化铁( f e 2 0 3 ) 形成有关u 2 1 。 1 1 4 抗高温氧化表面处理的发展概况 抗高温氧化的表面处理主要可以分为：表面化学热处理，气相沉积，表面喷涂等几 种主要的类型。本文主要是通过化学热处理的方式提高材料的抗高温氧化性能。 化学热处理作为一种发展时间久，比较成熟的表面处理技术，在整个热处理工艺体 系中占有相当大的比重。通过化学热处理可以改变材料表层的物相结构，从而改变材料 表面的物理化学性质提高材料表面的硬度，耐磨性及抗高温氧化和耐腐蚀性能，但是不 以合金的力学性能损失作为代价，从而使使产品具有综合的性能。目前应用比较广泛的 化学热处理主要有渗碳，渗氮，渗铝，等。丁毅，黄星路等人旧在q 2 3 5 钢表面进行 热浸渗铝并且对处理后的试样进行高温氧化试验，研究表明：渗纯铝q 2 3 5 钢的抗高温 氧化性能优于1c r l8 n i 9 t i 不锈钢。h u a - p i n gx i o n g ，w e im a o ，等人【l8 l 在铝硅合金熔体中 c u b i ci m 3 m 2 8 4 1 ( 5 ) a7 0 8 9 c m 3 11 2 0 c ( d 0 3 )2 0 3 0 7 g p a t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t s s p e c i f i ch e a ta tc o n s t a n tp r e s s u r ec p 9 8 3 0jm o l “k 但9 3 k ) 7 1 3 5 + 8 7 3 8 x1 0 。j t + 1 4 8 9 3 x 1 0 r ( 2 7 3 - 8 0 0 k ) 4 硕士学位论文 暑詈詈! ! ! ! ! = 詈詈詈曼詈詈詈詈鼍詈詈詈皇! ! 詈鼍皇= 詈! ! 鼍詈鼍! ! = 暑= ! 苎= ! ! 詈詈= ! 詈! 皇i | i i l l l 皇! 皇! 皇詈! 詈! 詈詈詈皇詈暑詈鼍詈皇! 暑詈皇詈皇詈皇詈鼍詈皇詈皇暑 f e s i 舢金属间化合物。但f e 3 s i 的脆性问题，极大地限制了其作为结构材料乃至作为 功能材料的应用，对于f e 3 s i 的性能还需要进一步的研究与改进，表1 3 列出了f e 3 s i 基本的物理和力学性能参数【2 3 1 。 图1 1d 0 3 型f e 3 s i 晶胞结构( f e 原子占据白色和灰色球位置，s i 原子占据黑色球位置) f i 9 1 1u n i t e uo fd 0 3s l r u c t u r e ( t h ef ea t o mo c c u p yt h ew h i t ea n dg r e ys p h e r e s p o s i t i o na n dt h es i a t o mo c c u p yt h eb l a c ks p h e r e s p o s i t i o n ) w 蛐p t 删s i l t o 瑟 - 1 4 x 。 自r e ： 冀吩t 瑚 ”m 弋l 卜篡 阳j 汀 驴 jl |，。一 哦 为 r ，e 吐：o i 嘲l ： 警砌咖 。微 f _ r c ： 善 岱争， 知o 铝 盘 图1 2f e s i 二元系相图 f i g 1 2t h ep h a s ed i a g r a mo ff e - s ib i n a r ys y s t e m f e 3 s i 具有b c c 的d 0 3 超结构，其各原子的空间排布见图1 1 ，它的晶格常数大约为 a f e 的两倍，并且每一个晶包中包括1 6 个原子，如图1 1 所示。f e 3 s i 复杂的晶体结构 5 pt置毒&重 不锈钢表面f e 3 s i 型金属硅化物渗层的制备和表征 决定了其相变过程的复杂性，其准确的相变温度和相变次序，还在进一步研究之中。结 合f e s i 二元相图( 如图1 2 所示) 当s i 含量为1 0 2 0 a t 时f e 3 s i 可形成两种有序结构a 2 ( a 2 ) 和仅l ( 0