一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，(1)对铁基材料进行喷丸处理；(2)对清理好的铁基材料的表面附着铝箔材料；(3)对附着有铝箔材料的铁基材料进行加热处理；(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于铁基材料上；(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使铁基材料在表层与铝系材料形成改性层。与现有技术相比，本发明专利技术制得的改性层具有良好的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。既可以提高铁基材料的抗高温氧化性、耐腐蚀性，又可以保持其心部的强度和韧性。也可以在部分场合替代价格较高的铬钢和镍铬不锈钢等。

【技术实现步骤摘要】
一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法
本专利技术涉及表面工程
，尤其是涉及一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法。
技术介绍
腐蚀、疲劳和磨损是结构材料的三大失效方式。由于这三大失效方式都是从表面开始，所以表面处理对提高材料的抗失效性非常重要。金属材料表面合金化改性是提高其耐蚀性、耐磨性从而延长其使用寿命的重要方法。可以使材料表面具有原来没有的性能，同时保持基体原有的优良性能，大幅度拓宽了材料的应用领域。表面合金化工艺可在一些表面性能不够优越的母材基体表面制出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用，从而大幅度降低成本。虽然经过多年的发展，开发了众多的表面合金化改性技术。然而随着科学技术的不断进步，对材料表面性能的要求也越来越高，表面合金化技术本身也需要不断改进，以满足科技进步的需要。经过多年发展，表面合金化改性已不仅是提高金属材料使用寿命的重要方法，也是一种重要的材料制备方法。通过金属表面组织和性能的优化可以改变材料的整体力学性能如抗疲劳和环境服役性能，并考虑大面积应用性与成本方面的因素，金属表面合金化改性的研究引起了人们的普遍注意，被认为是最有可能取得实际应用的技术之一。近几年，表面合金化改性虽然取得了长足进步，但受制备工艺复杂、成本高、材料外形尺寸小、内部孔洞和污染等因素的影响，改性的金属材料至今难以在工业上取得实际的应用。因此，开发一种简易可行的制备技术，能够对合金元素扩渗起促进作用，并且制得性能更加优越的表面合金层。此种表层改性技术对于充分发挥材料的潜力、节约昂贵的合金资源及节能减排也具有重要的实际意义。铁基材料表面合金化是通过一定的工艺处理，在钢铁表面形成合金层的表面处理方法。铝在室温下氧化生成膜，能紧密地与基体金属结合在一起。铁基材料中达到一定铝量时，也可以在表面形成致密的氧化膜。因此，改性层具有良好的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。改性层既可以提高钢铁表面的抗高温氧化性、耐腐蚀性，又可以保持其心部的强度和韧性。经过表面改性的铁基材料可以在部分场合替代价格较高的铬钢和镍铬不锈钢等，因而在冶金、石油、化工、船舶、燃气轮机等方面得到了广泛的应用。但是目前的改性处理过程主要依靠单纯的热(温度)扩散。由于扩散激活能太大，因此，大多需要经过高温、长时间的加热保温处理，这会导致基体材料形成粗晶组织，降低机械性能；同时，能耗大，生产效率低，影响了材料表面改性技术的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：(1)对铁基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；(2)对清理好的铁基材料的表面附着铝箔材料；(3)对附着有铝箔材料的铁基材料进行加热处理；(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于铁基材料上；(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使铁基材料在表层与铝系材料形成改性层。步骤(1)中铁基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理，采用钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。步骤(2)中采用的铝箔材料的厚度为15-30um。步骤(3)中通过电加热装置进行加热处理，附着有铝箔材料的铁基材料加热至350-450℃。步骤(4)进行喷丸处理的气压为0.2MPa，温度为350-450℃，采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。步骤(5)进行喷丸处理的气压为0.2-0.4MPa，温度为300-500℃，采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。通过上述方法形成的改性层为铁基材料-铁铝合金-铝系材料的“三明治”结构。与现有技术相比，本专利技术采用运动的粒子冲击被加热的工件表面，粒子的运动(机械能)激活表面点阵原子，形成空位，降低了扩散激活能，将纯热扩渗的点阵扩散变为点阵缺陷扩散，从而大幅度降低扩散温度，明显缩短扩散时间，节能效果十分显著。同时由于扩散温度低，不会改变材料的机械性能。本专利技术的优点在于结合喷丸与合金化的长处，利用喷丸加工过程中高速密集的弹丸冲击试样表面带来的金属材料表面的晶粒充分塑性变形以及细化。此外，本专利技术还利用铝易在室温下氧化生成膜且能紧密地与铁基体金属结合在一起的特点，铝渗层常用作碳素钢或低合金钢等制成的空气加热器、加热炉和蒸气过热器构件的覆层，层厚约125～1000微米，含铝约25％，当铁基材料中达到一定铝量时可以在表面形成致密的氧化膜。表面合金化改性层的性能保证是两个固体之间的浓度梯度和扩散通道以及扩散源原子能够克服晶格的势垒。表面合金化为原子的扩散提供了大量的短程扩散通道，解决了扩散通道的问题，可以降低扩散温度、缩短扩散时间。采用一定工艺参数下的喷丸强化，对无论是间隙扩散还是空位扩散时原子跃迁要克服的周围原子的势垒，即需要扩散激活能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼统计学理论，扩散激活能通常是通过原子的热振动所获得的。温度越高，原子获得的能量越大。为了使原子在较低温度下也能获得与高温下相当的能量，则需要外界能量的输入。在原子扩散的同时，一定温度下的喷丸处理可以帮助原子获得所需的扩散激活能，进一步促进元素的扩散，瞬态位错和空位也会促进元素的深层扩散。通过试验研究，得到铁基铝系表面合金化的最优喷丸参数区间为气压0.2MPa，温度为350-450℃以及气压为0.2-0.4MPa，温度为300-500℃。通过本专利技术制得的改性层具有良好的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。既可以提高铁基材料的抗高温氧化性、耐腐蚀性，又可以保持其心部的强度和韧性。也可以在部分场合替代价格较高的铬钢和镍铬不锈钢等。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术提出的制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，包括以下步骤：S1：对铁基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；喷丸所使用的钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。S2：将清理好的铁基材料表面附着上铝箔材料，铝箔厚度15-30um；S3：采用电加热装置对工件进行加温，加热到350-450℃；S4：将加热到350-450℃的工件进行喷丸处理，使铝系材料粘附于铁基材料上；喷丸工艺为气压0.2MPa，钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。S5：将附着铝箔材料的工件再次喷丸处理，使铁基材料在表层与铝系材料形成改性层。喷丸工艺为气压0.2-0.4MPa，温度300-500℃，钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本专利技术的技术方案以及所能够获得的技术效果。实施例1一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450的钢丸，在气压0.7MPa对铁基材料进行喷丸处理，去除表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)对铁基材料进行喷丸处理；(2)对清理好的铁基材料的表面附着铝箔材料；(3)对附着有铝箔材料的铁基材料进行加热处理；(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于铁基材料上；(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使铁基材料在表层与铝系材料形成改性层。

【技术特征摘要】
1.一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)对铁基材料进行喷丸处理；(2)对清理好的铁基材料的表面附着铝箔材料；(3)对附着有铝箔材料的铁基材料进行加热处理；(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使铝箔材料粘附于铁基材料上；(5)将附着铝箔材料的材料再次进行喷丸处理，使铁基材料在表层与铝系材料形成改性层。2.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(1)中铁基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理。3.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(1)采用钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。4.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(2)中采用的铝箔材料的厚度为15-30um。5.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料铝系合金机械结合改性层...

【专利技术属性】
技术研发人员：高玉魁，王瑞，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31