带有铁铝扩散层的铁合金及其制备方法技术

一种铁合金，该铁合金是以维氏硬度为４００或更大的Ｆｅ－Ｃｒ不锈钢为基质，带有厚度为２～５０μｍ的Ｆｅ－Ａｌ扩散层。扩散层含有占总扩散层体积９０％以上的Ａｌ和Ｆｅ的金属互化物。深度２μｍ以上的扩散层内Ａｌ含量占该扩散层总重量的３５～６５（重量）％。最好选用沉淀硬化不锈钢，或者选用高碳不锈钢作基质。该铁合金可用作齿轮或轴承等滑动部件和电动刮须刀或理发轧剪的刀片。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由Fe-Cr不锈钢基质及硬度得到提高的Fe-A1扩散层组成的铁合金。这种铁合金可用来制作齿轮，轴承等滑动部件或电动剃须刀或理发轧剪的刀片，以及制备这种铁合金的方法。过去，一直用碳素工具钢，高碳不锈钢和沉淀硬化不锈钢来制作齿轮，轴承和切剪工具等滑动部件。这些钢具有优良的机构硬度和抗震性。然而，这些钢的表面硬度和耐磨性有时仍不足以使滑动部件或切割工具有更长的使用寿命。为解决这一问题，常使用具有优良硬度和耐磨性的陶瓷材料，如三氧二铝(Al2O3))或氧化锆(ZrO2)。然而，陶瓷材料的机械韧性远低于钢的机械韧性又是个问题。此外，把陶瓷材料制成各种形状的滑动件或切割工具也不是件容易的事。因此要专利技术一种材料，其硬度和耐磨性要提高，又能保持钢的机械强度和韧度。比如，日本专利公开No.4-250995揭示了一种用作电动剃须刀的刀片材料及其制备方法。该刀片材料包含高硬度和非磁化不锈钢，Fe-Mn合金或Be-Cu合金材料基质，Al和基质中所含金属元素(如Ni和Fe)的金属互化物层，以及在金属互化物层上的Al2O3层。这种刀片材料可通过向基质上包覆Ni和Al箔来获得，Ni箔在基质和Al箔之间。在真空或氧化气氛中加热包覆的基质以形成NiAl和/或Ni3Al金属互化物层以及Al2O3层。当热处理在真空中进行时，包复基质可在400-650℃的温度下加热1-20分钟；当热处理在氧化气氛中进行时，包复基质在600-1000℃的温度下加热5-20小时。然而，由于Ni原子向基质的扩散速率远小于Al原子向基质的扩散速率，而且Ni原子阻碍了Al原子向基质的扩散，因此就存在着基质和金属互化物层之间的粘附力不够强的问题。英国专利No.1278085描述了一种在高温高压气氛中具有抗硫化特性的铝扩散覆盖层钢。这种涂层钢是用铝扩散涂复法制得的。这种方法的特征是在800-950℃温度下进行热处理。表面层由铝合金组成，其厚度不超过300μm。表面层表面铝含量低于30(重量)％。例如，基质是一种合金钢，其碳含量不超过0.5(重量)％，以及含有至少一种下述元素含量在0.1-1.2(重量)％的Mn，含量不超过10％的Cr和含量不超过4.5(重量)％Ni。铝扩散涂复法可采用粉末填充法，气相法，陶瓷吸附法或热浸扩散法。然而，由于表面层中Al含量小于30(重量)％，很难在表面层中形成硬的Al-Fe金属互化物如Al3Fe，Al13Fe4或Al5Fe2。因此，表面层不足以提供高硬度和高耐磨性。为了提高钢的硬度和耐磨性，本专利技术提供了一种以Fe-Cr不锈钢为基质，在基质上有Fe-Al扩散层的铁合金，以及制备这种铁合金的方法。不锈钢的维克斯硬度(维氏硬度)达到400或更高。扩散层的特征在于(1)扩散层的厚度在2-50μm之间；(2)扩散层至少含有占扩散层总体积90％的Al-Fe金属互化物；(3)包括在深度至少2μm的扩散层中的Al含量为至少2μm厚度范围内的扩散层总重量的35-65％，因此，本专利技术的首要目的是提供一种以Fe-Cr不锈钢为基质以及在基质上有Fe-Al扩散层的铁合金。这种铁合金可使硬度和耐磨性得以提高，而且同时保持了基质本身的机械强度和韧性。扩散层中的金属互化物最好至少包含Al2Fe，Al5Fe2，Al3Fe或Al13Fe4中的一种。特别是扩散层的金属互化物的含量要达到峰比率至少为10％，峰比率的定义为100*P1(/(P1+P2)，其中P1是金属互化物的主峰高度，P2是AlFe和AlFe3的主峰高度。P1和P2可通过扩散层外表面的X光衍射图获得。较好的基质为沉淀硬化不锈钢，该基质含有66-81.9(重量)％的Fe，15-20(重量)％的Cr，3-13(重量)％的Ni，以及至少一种下述元素3-6(重量)％的Cu，0.5-2(重量)％的Al，总量为0.01-0.2(重量)％的C和N；也可用高碳不锈钢为基质，其中含有73-89.9(重量)％的Fe，10-19(重量)％的Cr，0.1-1.2(重量)％的C，以及少于3(重量)％的Ni。如果以沉淀硬化不锈钢为基质，本专利技术的铁合金制备方法如下即在基质表面形成Al层，以制得铝涂覆基质。铝涂覆基质在450-600℃的温度下加热0.5-4小时，可使基质硬度达到400或更高，同时Al原子和Fe原子相互扩散分别进入基质和Al层，以这种方法在涂覆基质表面形成Fe-Al扩散层。另外，若以高碳不锈钢为基质，本专利技术的铁合金可用以下方法制备即在基质表面形成Al层以制得Al涂覆基质。铝涂覆基质在900-1100℃下加热15-180秒。Al原子和Fe原子相互扩散分别进入基质和Al层，以这种方式在涂覆基质的表面形成扩散层。然后，涂层基质从热处理温度开始，以10℃/秒或更高的速率冷却下来，使基质的维氏硬度达到400或更高。本专利技术的其他特性、优点和效果将在下文和所附图表中详述。附图说明图1为本专利技术铁合金的扫描电镜(SEM)照片，并附有Al，Fe和Cr的EPMA(电子探针微分析)曲线；图2，为图2中EPMA曲线的说明图；图3为铁合金扩散层外表面沿深度方向上Al和Cr含量的变化曲线；图4为扩散层外表面沿深度方向上维氏硬度变化曲线；图5为扩散层外表面X光衍射曲线；图6为扩散层外表面2μm深度范围内扩散层表面硬度(纵座标)和Al含量(横座标)的关系曲线；图7为扩散层表面硬度(纵座标)和Fe-Al金属互化物的峰比率(横座标)的关系曲线。本专利技术所述铁合金由Fe-Cr不锈钢基质和基质上的一层Fe-Al扩散层所组成。基质的维氏硬度为400或大于400。特别是，本铁合金用作电动刮须刀或剪发轧剪等切割工具的刀片时，基质最好选用含66-81.9％(重量)的铁，15-20％(重量)的Cr，3-13％(重量)的Ni和下述某一种元素3-6％(重量)的Cu，0.5-2％(重量)的Al，总量为0.01-0.2％(重量)的C和N的沉淀硬化不锈钢，或含有73-89.9％(重量)的Fe，10-19％(重量)的Cr，0.1-1.2％(重量)的C和小于3％(重量)的Ni的高碳不锈钢。Fe-Al扩散层的厚度范围为2-50μm。如果厚度小于2μm，不足以提高铁合金的耐用性；厚度大于50μm，会引起扩散层的表面硬度下降，紧靠扩散层的基质硬度也下降，或者扩散层的机械韧性变差。特别是，当铁合金用作刀刃锋利的刀片时，扩散层的厚长最好为5-15μm，以防在锋口处出现微屑。扩散层至少2μm深度内的Al含量为该2μm以上扩散层总重量的35-65％(重量)。如果Al含量少于35％(重量)，不足以改善扩散层表面的硬度和耐用性。如果Al含量多于65％(重量)，会在扩散层内形成硬度差的纯铝层和/或Fe-Al固溶体。比如，图1所述为厚度为10μm扩散层的截面扫描电镜照片。图2为沿电镜照片水平方向的分析的Al，Fe和Cr的EPMA曲线(EP-MA电子探针微分析)。D0点相应于扩散层的外表面。标号21的Al的EPMA曲线表明，扩散层的表面有高浓度Al，并且Al浓度从表面至约10μm深处逐渐下降。标号22和23的曲线分别为Fe和Cu的EPMA曲线。Fe和Cu的浓度从扩散层的外表面至约10μm深处逐渐增加。标号24为拍SEM照片时在扩散层上形成的Ni的曲线。图3为X-射线微区分析定量测得的A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有硬度提高的Ｆｅ－Ａｌ扩散层的铁合金，所说的铁合金包括： 一种维氏硬度为４００或以上的Ｆｅ－Ｃｒ不锈钢基片；形成在所述基片上的Ｆｅ－Ａｌ扩散层；所说的扩散层的厚度为２～５０μｍ，所含的Ａｌ和Ｆｅ的金属互化物（相对所说扩散层的总体积）至少为９０（体积）％；所说Ｆｅ－Ａｌ扩散层的至少２μｍ深处内所含有的Ａｌ数量为至少２μｍ厚度范围内所说Ｆｅ－Ａｌ扩散层的总重量的３５～４５（重量）％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：今井顺二，滨田纠，山田修司，山田广志，岩根文男，
申请(专利权)人：松下电工株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]